[論文レビュー] Undermassive Host Galaxies of Five z~6 Luminous Quasars Detected with JWST

Meredith A. Stone, Jianwei Lyu+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 8

ひとこと要約

研究は JWST/NIRCam および NIRSpec を用いて五つの高 redshift クエーサーの光を PSF で減算し、ホスト銀河質量の上限とブラックホール質量を導出。 SMBH はホストに対して過大質量かつ局所関係と比較して大きな散布を持つことを示唆。

ABSTRACT

We measure host galaxy stellar masses for a sample of five luminous quasars at $z\sim5-7$. Using JWST/NIRCam medium-band images of nearby PSF reference stars, we carefully subtract the contribution from the quasar light to place upper and lower limits on the flux of each host galaxy. We find that the members of our sample of quasar host galaxies have masses of $10^{9.7} - 10^{10.8} M_{\odot}$, significantly less than expected from their SMBH masses and the local \magorrian relation. We additionally obtain JWST/NIRSpec IFU spectra of three of our quasars to calculate black hole masses, which we find are consistent with those in the literature, and to search for the presence of a bright but compact galaxy via a Balmer break, which we do not find evidence for. We discuss the potential effects of dust extinction on our measured fluxes and the impact of selection effects on high-redshift quasar samples. We conclude that the masses of the SMBHs relative to the host galaxy stellar masses have a much larger scatter than locally, large enough that these selection effects cannot be responsible. The result is reinforced by other studies. Finally, we explore the potential implications of these results on the picture of SMBH-galaxy coeval growth in the early Universe.

研究の動機と目的

• JWST 画像と分光観測を用いて、五つの明るい z~5-7 クエーサーのホスト銀河の星質量を調べる。
• 高-z クエーサーのホストは局所の M_BH–M_* 関係に従うか、それともオフセットを示すかを評価する。
• Emission lines からブラックホール質量を測定し Balmer-break 特徴を制約してホストの特性を評価する。
• 高赤方偏移クエーサーのホスト研究における潜在的なバイアスと選択効果を評価する。
• 初期宇宙における SMBH-銀河共進化の示唆を議論する。

提案手法

• 複数の中間バンド (F210M, F360M, F410M, F430M, F480M) の JWST/NIRCam 画像と、PSF 減算の基準となる近傍星を取得する。
• 各クエーサー像に対して基準星 PSF を同定・減算し、拡張ホスト銀河放射を探索する。
• 0.4 arcsec アパーチャでホスト銀河のフラックスを推定し、PSF 正規化と Sérsic プロファイル適合を探索して過剰減算を回避し、上限を導く。
• rest-frame ~3.6 μm フラックス (IRAC Band 1) と z~6 の M_* との経験的関係を用いて、若すぎる星形成年代 (<10 Myr) を除外してホスト質量を較正する。
• 三つのクエーサーについて NIRSpec IFU データを用い Hβ/Hα に基づくブラックホール質量を測定し Balmer-break の兆候を捜索する；標準的な virial 質量較正 (例: Vestergaard & Peterson 2006) を適用する。
• 塵の影響と flux および質量推定に影響を与え得る選択バイアスを議論する。

Figure 1: The normalized quasar and PSF star radial profiles. The quasars (columns) are shown in order of increasing redshift left to right, with the filter labeled. The quasar profile is shown as a blue solid line, and the radial profile of its corresponding PSF star, with the best-fit scaling to m

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 五つの z~5-7 明るいクエーサーのホスト銀河の星質量は局所の M_BH–M_* 関係と整合するか、それとも過小質量か。
• RQ2 Hβ および Hα から推定されるこれらのクエーサーのブラックホール質量はどの程度か、過去の測定とどう比較されるか。
• RQ3 NIRSpec データで Balmer-break 特徴を用いた明るくコンパクトなホスト銀河の証拠はあるか。
• RQ4 高赤方偏移における SMBH–ホスト共進化の解釈に影響を与えるバイアスや選択効果は何か。

主な発見

• ホスト銀河の質量上限は log(M_*/M_sun) ≈ 9.7–10.8 の範囲にあり、局所の M_BH–M_* 関係から期待される値と比較して SMBH 質量が大きいにもかかわらず大きな散布が認められる。
• 三つのクエーサーは Hβ/Hα からの SMBH 質量が文献値と一致しており、例えば二つのオブジェクトで log(M_BH/M_sun) ≈ 9.3–9.4、ひとつの高-z ソースでは下限 >8.5。
• PSF 減算では大半で明確な拡張ホスト放射を検出できず、J2239+0207 のみ F360M および F480M で検出の可能性が示唆される。
• Balmer-break の NIRSpec スペクトルで明るくコンパクトなホスト銀河の強い証拠は得られず、最適フィット Balmer-break は統計的に有意でない。
• 塵の消光や選択効果を考慮したうえで、z~6 における M_BH と M_* の散布は大きく、局所関係と比べた実際の進化または散布増大を示唆する可能性が高く、バイアスだけとは言えない。
• 他の JWST 研究と一致して、高-z の SMBH はホストに対して過大質量である傾向があり、大きな散布がある、という結論に近い。

Figure 2: Our five observed quasars after subtraction of their stellar PSFs, normalized by the total (Poissonian + pixel) error budget. Each quasar (columns) is imaged in two or three bands between observed-frame 2.1 and 4.8 $\mu$ m (rows). The 0.4″radius aperture used to extract galaxy fluxes and u