[論文レビュー] The ultra-dense, interacting environment of a dual AGN at z $\sim$ 3.3 revealed by JWST/NIRSpec IFS

Michele Perna, Santiago Arribas+19 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2023

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 17被引用数 7

ひとこと要約

この研究は JWST/NIRSpec IFS を用いて z ~ 3.3 の LBQS 0302−0019 の rest-frame optical 発光を分解し、二重AGNと複数の伴星を伴う高密度で相互作用する環境と強力なアウトフローを明らかにする。

ABSTRACT

LBQS 0302-0019 is a blue quasar (QSO) at z ~ 3.3, hosting powerful outflows, and residing in a complex environment consisting of an obscured AGN candidate, and multiple companions, all within 30 kpc in projection. We use JWST NIRSpec IFS observations to characterise the ionized gas in this complex system. We develop a procedure to correct for the spurious oscillations (or 'wiggles') in NIRSpec single-spaxel spectra, due to the spatial under-sampling of the point spread function. We perform a quasar-host decomposition with the QDeblend3D tools, and use multi-component kinematic decomposition of the optical emission line profiles to infer the physical properties of the emitting gas. The quasar-host decomposition allows us to identify i) a low-velocity component possibly tracing a warm rotating disk, with a dynamical mass Mdyn $\sim 10^{11}$ Msun and a rotation-to-random motion ratio $v_{rot}$/$σ_0 \sim 2$; ii) a spatially unresolved ionised outflow, with a velocity of $\sim$ 1000 km/s and an outflow mass rate of $\sim 10^4$ Msun/yr. We also detect eight interacting companion objects close to LBQS 0302-0019. Optical line ratios confirm the presence of a second, obscured AGN at $\sim 20$ kpc of the primary QSO; the dual AGN dominates the ionization state of the gas in the entire NIRSpec field-of-view. This work has unveiled with unprecedented detail the complex environment of this dual AGN, which includes nine interacting companions (five of which were previously unknown), all within 30 kpc of the QSO. Our results support a scenario where mergers can trigger dual AGN, and can be important drivers for rapid early SMBH growth.

研究の動機と目的

• LBQS 0302−0019 周辺のQSOホスト、覆われたAGN伴星、近傍銀河を含む複雑な環境の特徴付け。
• rest-frame optical 発光線からのガス運動学・イオン化構造・アウトフロー特性の定量化。
• 系全体の動的質量と合 mergers による迅速な SMBH 成長の証拠の評価。

提案手法

• rest-frame optical 線をカバーする JWST/NIRSpec IFS データを約 0.1 arcsec 空間分解能で ~3″×3″領域に取得。
• NIRSpec データキューブの undersampled spaxel に対する wiggle アーティファクト補正を開発。
• QSO–host の分解（QDeblend3D）と発光線の多成分運動学フィットを実施。
• BLR、NLR、アウトフロー成分を分離するために Balmer 及び禁制線を多成分ガウスでモデル化。
• extinction と線比を慎重に考慮しつつ、標準的な単時点 virial 関係を用いて動的質量とブラックホール質量を推定。
• 統合スペクトルおよび空間分解スペクトルを構築・解析してガスダイナミクスとイオン化をマッピング。

Figure 1: Original (top) and PSF-subtracted (bottom) images of the QSO LBQS 0302 $-$ 0019 and its close neighbouring galaxies as observed from space- and ground-based telescopes. In the left panels, we show the HST WFC3 near-infrared images from Husemann et al. ( 2021 ) , with contours in the bottom

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 rest-frame optical lines で見える LBQS 0302−0019 系の運動学・イオン化構造はどうか。
• RQ2 近接の覆われたAGN伴星の明確な証拠はあるか、QSOホストや近傍の伴星とどのように相互作用しているか。
• RQ3 ホストおよび伴星銀河の動的質量はどれくらいで、 merger 活動と SMBH 成長は何を意味するか。
• RQ4 アウトフローの性質（速度・質量流など）と周囲 ISM への影響は。

主な発見

Measurement	Value
log(L_Hα/erg s−1)	45.45 ± 0.01
FWHM Hα [km s−1]	3650_{-60}^{+90}
σ_Hα [km s−1]	3260_{-120}^{+40}
M_BH(Hα) GH06 [M⊙]	2.28^{+0.06}_{-0.09} × 10^9
log(L_Hβ/erg s−1)	44.86 ± 0.02
FWHM Hβ [km s−1]	3560_{-120}^{+170}
σ_Hβ [km s−1]	2800_{-70}^{+120}
M_BH(Hβ) GH06 [M⊙]	1.99^{+0.20}_{-0.16} × 10^9
M_BH(Hβ) DB20, σ [M⊙]	1.82_{-0.11}^{+0.19} × 10^9
log(L_bol/erg s−1) DB20	47.22 ± 0.01
λ_Edd	0.9 ± 0.1
log(L_[OIII]/erg s−1)	45.71 ± 0.03
[OIII] W80 [km s−1]	1080 ± 30
[OIII] W90 [km s−1]	1600 ± 55
[OIII] V10 [km s−1]	−760 ± 50

• 低速成分と高速成分の同定；低速成分は暖かい回転円盤をトレースし M_dyn ~ 1×10^11 M⊙、v_rot/σ0 ~ 2。
• 速度約 1000 km s−1 の空間的に未解像な電離アウトフローとアウトフロー率 ~10^4 M⊙ yr−1。
• 約 30 kpc 内に 8 個の伴星を検出、うち 2 つは規則的な速度場と動的質量 ~1×10^10 M⊙。
• 一次のQSO から約 ~20 kpc 離れた第二の覆われたAGNの証拠、dual AGN が NIRSpec 欄内のガスイオン化を支配。
• QSO 環境にはホスト、近接の覆われたAGN、9 個の相互作用伴星が含まれ、 merger による dual AGN 発火と急速な SMBH 成長を支持。

Figure 2: NIRSpec spectra obtained with internal (orange curve) and external (green) flux calibration and integrated over a region of $r=1.5$ ″. The two NIRSpec spectra are extracted from the drizzle cubes, with 0.05″spaxels. Vertical lines indicate the main emission line features detected in the NI