[논문 리뷰] Clumpy star formation and an obscured nuclear starburst in the luminous dusty z = 4 galaxy GN20 seen by MIRI/JWST

Arjan Bik, Javier Álvarez-Márquez외 29명|arXiv (Cornell University)|2023. 12. 05.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 12인용 수 1

한 줄 요약

JWST의 깊은 MIRI/MRS 적층 스펙트로스코피를 사용하여, 이 연구는 z=4.0548인 먼지가 풍부한 별 형성은행 은하 GN20에서 덩어리지고 매우 은폐된 별 형성 구조를 해소한다. 핵심 별 형성은 극도로 높은 흡광도(A_V = 17.2 ± 0.4 mag)를 보이며, 적외선 별 형성률의 7.7%만 Paα 복사에 의해 추적되므로, 이는 중앙 별 형성 영역이 후기 단계의 주요 병합으로 인해 유도된 중력적으로 불안정한 디스크에 깊이 묻혀 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Dusty star-forming galaxies emit most of their light at far-IR to mm wavelengths as their star formation is highly obscured. Far-IR and mm observations have revealed their dust, neutral and molecular gas properties. The sensitivity of JWST at rest-frame optical and near-infrared wavelengths now allows the study of the stellar and ionized gas content. We investigate the spatially resolved distribution and kinematics of the ionized gas in GN20, a dusty star forming galaxy at $z$=4.0548. We present deep MIRI/MRS integral field spectroscopy of the near-infrared rest-frame emission of GN20. We detect spatially resolved \paa, out to a radius of 6 kpc, distributed in a clumpy morphology. The star formation rate derived from \paa\ (144 $\pm$ 9 \msunperyear) is only 7.7 $\pm 0.5 $\% of the infrared star formation rate (1860 $\pm$ 90 \msunperyear). We attribute this to very high extinction (A$_V$ = 17.2 $\pm$ 0.4 mag, or A$_{V,mixed}$ = 44 $\pm$ 3 mag), especially in the nucleus of GN20, where only faint \paa\ is detected, suggesting a deeply buried starburst. We identify four, spatially unresolved, clumps in the \paa\ emission. Based on the double peaked \paa\ profile we find that each clump consist of at least two sub-clumps. We find mass upper limits consistent with them being formed in a gravitationally unstable gaseous disk. The UV bright region of GN20 does not have any detected \paa\ emission, suggesting an age of more than 10 Myrs for this region of the galaxy. From the rotation profile of \paa\ we conclude that the gas kinematics are rotationally dominated and the $v_{rot}/σ_{m} = 3.8 \pm 1.4$ is similar to low-redshift LIRGs. We speculate that the clumps seen in GN20 could contribute to building up the inner disk and bulge of GN20.

연구 동기 및 목표

• z=4.0548에 위치한 빛나는 먼지가 풍부한 별 형성 은하 GN20에서 이온화된 가스의 공간 분포와 운동학적 특성을 규명하기 위해.
• Paα 복사에 기반한 별 형성률을 측정하고, 적외선 유도 별 형성률과 비교하여 흡광도 영향을 평가하기 위해.
• 관측된 덩어리들과 운동학적 특성이 주요 병합 또는 중력적으로 불안정한 디스크와 일치하는지 판단하기 위해.
• 자외선 빛나는 영역의 성격과 이온화된 가스 복사 및 별 형성 활동에 비해 그 나이가 어떻게 되는지 조사하기 위해.

제안 방법

• GN20의 고정프레임 근적외선 복사선 데이터를 확보하기 위해 깊은 MIRI/MRS 적층 스펙트로스코피를 사용하였다.
• Paα 복사선이 공간적으로 해상되어 6 kpc 이내의 이온화된 가스 분포와 운동학적 특성을 맵핑하였다.
• 표준 캘리브레이션을 사용하여 Paα 빛의 세기를 기반으로 별 형성률을 유도하였으며, 관측된 Paα/Hβ 비율을 이용해 흡광도를 보정하였다.
• 운동학 모델링을 적용하여 회전 지배 동역학과 속도 분산을 추론하였으며, v_rot/σ_m = 3.8 ± 1.4는 회전이 지배하는 운동학적 특성을 나타낸다.
• Balmer 감쇠( Paα/Hβ)를 사용하여 흡광도를 추정하였으며, 핵심 영역의 A_V = 17.2 ± 0.4 mag 및 A_V,mixed = 44 ± 3 mag를 도출하였다.
• 덩어리 형태와 이중피크 복사선 프로파일을 분석하여, 하위 덩어리의 존재와 중력 불안정성의 가능성을 추론하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z=4.0548에서 GN20의 이온화된 가스의 공간 분포와 운동학적 특성은 어떻게 되는가?
• RQ2 관측된 Paα 기반 별 형성률은 적외선 기반 별 형성률과 어떻게 비교되며, 이는 흡광도에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 Paα 복사에서 관측된 덩어리들이 하위 덩어리로 해상될 수 있는가? 이는 그 형성 메커니즘에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 운동학적 프로파일은 회전 디스크인지, 병합 잔여물인지와 일치하는가?
• RQ5 자외선 빛나는 영역의 나이는 얼마이며, 이온화된 가스 및 별 형성 활동과의 관계는 어떠한가?

주요 결과

• Paα 복사선은 덩어리지고 6 kpc까지 확장되어 있으며, 복사에서 공간적으로 해상되지 않은 네 개의 덩어리가 확인되었다.
• Paα 기반 별 형성률은 144 ± 9 M⊙yr⁻¹이며, 적외선 기반 별 형성률 1860 ± 90 M⊙yr⁻¹의 7.7 ± 0.5%에 불과하여 극도의 흡광도가 있음을 시사한다.
• 핵심 영역은 A_V = 17.2 ± 0.4 mag 및 A_V,mixed = 44 ± 3 mag를 보이며, 깊이 묻힌 은폐된 핵심 별 형성은행과 일치한다.
• 네 개의 덩어리 모두 이중피크 Paα 프로파일을 보이며, 각 덩어리에 최소한 두 개의 하위 덩어리가 존재함을 나타내며, 이는 주로 중력 불안정성에 기인할 가능성이 높다.
• 기체 운동학은 회전이 지배적이며, v_rot/σ_m = 3.8 ± 1.4로 저적색도 LIRGs와 유사하지만, 큰 디스크인지 후기 단계의 병합 잔여물인지를 구분할 수는 없다.
• 자외선 빛나는 영역은 Paα 복사선이 없으며, 이는 10 Myr 이상의 나이를 가졌음을 시사하며, 이 영역에서 자외선과 이온화된 가스 복사 사이에 시간 지연이 있음을 나타낸다.