[論文レビュー] The FENIKS Survey: Spectroscopic Confirmation of Massive Quiescent Galaxies at z ~ 3-5

Jacqueline Antwi-Danso, Casey Papovich+14 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2023

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 8

ひとこと要約

著者らは FENIKS 調査から Keck/MOSFIRE 分光法により、3つの巨大な静的銀河（3.757で確定的なもの1つ、3.336と4.673で仮定的なもの2つ）と z=3.594 の AGN を確認し、初期の巨大銀河の年齢と祖先に関する影響を示す。

ABSTRACT

The measured ages of massive, quiescent galaxies at $z\sim 3-4$ imply that massive galaxies quench as early as $z\sim 6$. While the number of spectroscopic confirmations of quiescent galaxies at $z < 3$ has increased over the years, there are only a handful at $z > 3.5$. We report spectroscopic redshifts of one secure ($z=3.757$) and two tentative ($z = 3.336$, $z=4.673$) massive ($\log(M_\ast/M_\odot) > 10.3$) quiescent galaxies with 11 hours of Keck/MOSFIRE $K$-band observations. Our candidates were selected from the FENIKS survey, which uses deep Gemini/Flamingos-2 $K_b$ $K_r$ imaging optimized for increased sensitivity to the characteristic red colors of galaxies at $z > 3$ with strong Balmer/4000 Å breaks. The rest-frame $UVJ$ and $(ugi)_s$ colors of 3/4 quiescent candidates are consistent with $1-2$ Gyr old stellar populations. This places these galaxies as the oldest objects at these redshifts, and challenges the notion that quiescent galaxies at $z > 3$ are all recently-quenched, "post-starburst" galaxies. Our spectroscopy shows that the other quiescent-galaxy candidate is a broad-line AGN ($z = 3.594$) with strong, redshifted $Hβ$+[O III] emission with a velocity offset $>1000$ km/s, indicative of a powerful outflow. The star-formation history of our highest redshift candidate suggests that its progenitor was already in place by $z \sim 7-11$, reaching $\sim$ 10$^{11} M_{\odot}$ by $z \simeq 8$. These observations reveal the limit of what is possible with deep near-infrared photometry and targeted spectroscopy from the ground and demonstrate that secure spectroscopic confirmation of quiescent galaxies at $z > 4$ is only feasible with JWST.

研究の動機と目的

• 宇宙の初期における最も巨大な銀河の形成と抑制を堅牢に制約する動機づけ。
• FENIKS によって選択された z>3 の巨大静的銀河候補の分光赤方偏移を取得する。
• 年齢と祖先を評価するために、星間集団、静止系の色、星形成史を特徴づける。

提案手法

• 強い Balmer/4000 Å ブレークを持つ高赤方偏移静止候補を選択するための深い Gemini/Flamingos-2 K バンド分割イメージング（Kb と Kr）を使用。
• z>3.3 で連続体と吸収線（および AGN の場合は発射線）を検出するために 11 時間の Keck/MOSFIRE K バンド分光を取得。
• telluric 校正のためのスリット星を用いて最適な重み付けによる 1D 光スペクトル抽出と flux 校正を行う。
• photometry を eazy-py および Bagpipes でフィットして photometric および spectroscopic redshift および星間集団パラメータを導出する。
• Bagpipes で photometry とスペクトルを共同フィットし、二重パワー法 SFH、金属量、塵、発光線を含む九パラメータモデルを採用する。
• slinefit を用いてスペクトルから吸収特徴と線比を用いて独立に redshift を推定する。

Figure 1: 11 ′′ $\times$ 11 ′′ image stamps and photometric redshift solutions for our four $\log(M_{\ast}/M_{\odot})>10$ quiescent candidates and broad-line AGN. The $K$ -band images are convolved to match a PSF with FWHM=1.05 ′′ . The faintest candidates have markers next to them to distinguish th

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z>3 の巨大静的銀河を現行の地上ベース近赤外施設で分光的に確認できるのか？
• RQ2 これらの高赤方偏移静止系の年齢、星形成史、静止系の色はどのようになるのか？
• RQ3 候補のうちどれが実際に静止か AGN か 星形成か、そして z>4 での地上検出に影響を与える偏りは何か？
• RQ4 これらの系が祖先や形成時期（例: z~7-11）について何を示唆するのか？

主な発見

• 3つの静止銀河候補の分光赤方偏移が確定：1つは z=3.757、2つは z=3.336 および z=4.673 が仮定的。
• 1つの候補は z=3.594 の Broad-line AGN で、強い赤方偏移した Hβ + [O III] 発射を伴い強力なアウトフローを示唆。
• 3/4 の静止候補の rest-frame UVJ および (ugi)s 色は 1–2 Gyr の星間集団と一致。
• 最も高赤方偏移の候補の SFH は、祖先が z~7–11 の時点で既に整い、z~10 で約 10^11 M⊙ に達したことを示唆。
• これらの結果は、地上ベースの深い NIR 光度測光および分光の z>4 確認の限界を示し、z>4 分光には JWST が不可欠であることを強調。
• 本研究は、すべての z>3 静止銀河が最近のポストスター・ブーストで急停止したものではなく、この時代のより古い集団である可能性を示唆する。

Figure 2: From left to right: 11-hour MOSFIRE spectra, redshift probability distribution, and false-color images of our candidates. The spectra are arranged in order of increasing redshift. For display purposes, we smoothed the 2D spectra with a 0.7 ′′ FWHM Gaussian in the spatial direction . Note t