[논문 리뷰] Detection of stellar light from quasar host galaxies at redshifts above 6

Xuheng Ding, Masafusa Onoue외 42명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 25.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 NIRSpec 및 NIRCam 관측을 통해 적색이동 6 이상에서 초성단 은하의 항성 빛을 처음으로 강력하게 검출하였으며, 활성핵의 연속 스펙트럼에서 은하 주변 오염을 보정하였다. 분석 결과, J2236+0032와 J2255+0251에 대해 각각 (1.36 ± 0.15) × 10⁹ M☉ 및 (1.97 ± 0.17) × 10⁸ M☉의 비르발 블랙홀 질량이 도출되었으며, 특히 J2236+0032에서는 항성 빛이 관측된 복사원에 크게 기여하였다.

ABSTRACT

The detection of starlight from the host galaxies of quasars during the reionization epoch ($z>6$) has been elusive, even with deep HST observations. The current highest redshift quasar host detected, at $z=4.5$, required the magnifying effect of a foreground lensing galaxy. Low-luminosity quasars from the Hyper Suprime-Cam Subaru Strategic Program (HSC-SSP) mitigate the challenge of detecting their underlying, previously-undetected host galaxies. Here we report rest-frame optical images and spectroscopy of two HSC-SSP quasars at $z>6$ with JWST. Using NIRCam imaging at 3.6$μ$m and 1.5$μ$m and subtracting the light from the unresolved quasars, we find that the host galaxies are massive (stellar masses of $13 imes$ and $3.4 imes$ $10^{10}$ M$_{\odot}$, respectively), compact, and disk-like. NIRSpec medium-resolution spectroscopy shows stellar absorption lines in the more massive quasar, confirming the detection of the host. Velocity-broadened gas in the vicinity of these quasars enables measurements of their black hole masses ($1.4 imes 10^9$ and $2.0 imes$ $10^{8}$ M$_{\odot}$, respectively). Their location in the black hole mass - stellar mass plane is consistent with the distribution at low redshift, suggesting that the relation between black holes and their host galaxies was already in place less than a billion years after the Big Bang.

연구 동기 및 목표

• 적색이동 6 이상에서 초기 은하 및 블랙홀 진화의 핵심 단계인 초성단 은하 주변의 항성 빛을 검출하고 정량화하는 것.
• 정확한 블랙홀 질량 추정을 위해 활성핵 연속 스펙트럼에서 은하 주변 오염을 보정하는 것.
• 좁은선 영역 방출(특히 Hβ + [O iii])이 복합 대역 광도 측정에 미치는 기여와 항성 질량 추론에 끼치는 영향을 평가하는 것.
• 다양한 진화 시나리오에 따라 고적색이동 초성단의 블랙홀 질량–항성 질량 평면에서의 기대 위치를 모델링하는 것.
• 관측 데이터와 몽테카를로 시뮬레이션을 활용하여 z ≈ 6에서 블랙홀 질량 대 항성 질량 비율(M_BH/M_*)의 진화를 제약하는 것.

제안 방법

• JWST/NIRSpec 및 NIRCam 관측을 활용하여 적색이동 약 6.4인 두 개의 고적색이동 초성단(J2236+0032 및 J2255+0251)에 대한 고해상도 스펙트로스코피 및 영상 촬영을 수행하였다.
• 2차원 스펙트로스코피를 활용한 초성단 분해 기법을 적용하여, 비틀림된 초성단 성분에 가우시안 프로파일을 피팅하고 제거함으로써 공간적으로 확장된 은하 주변 방출을 분리하였다.
• 스펙트로스코픽 슬릿 개구부 내에서 확장된 [O iii] 방출과 은하 주변 빛 간의 복사원 비율을 계산하여 좁은선 영역에 의한 오염 정도를 정량화하였다.
• 지역 M_BH/M_* 비율과 참조 25에서 업데이트된 에딩턴 비율 분포를 활용하여 z = 6.4에서의 몽테카를로 시뮬레이션을 통해 기대되는 M_BH–M_* 평면 내 위치를 생성하였다.
• 관측 오차와 M_*의 내재 산란을 고려하기 위해 몬테카를로 샘플링을 적용하였으며, 선택 함수와 일치시키기 위해 등급 자르기 조건(−23.9 < M_1450 < −23.8)을 적용하였다.
• 이변량 확률 분포를 사용하여 M_BH/M_* ∝ (1+z)^γ에서 γ의 진화 지수를 제약하였으며, 68% 신뢰구간 내에서 γ ∈ [−0.40, 0.84]로 도출되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적색이동 z > 6인 고적색이동 초성단의 관측 연속 스펙트럼에서, 활성핵이 아닌 은하 주변에서 기인하는 비율은 어느 정도인가?
• RQ2 복합 대역 광도 측정을 통해 은성 질량을 추론하는 데 있어 좁은선 영역 방출(Hβ + [O iii])의 기여는 얼마나 중요한가?
• RQ3 5100 Å 연속 스펙트럼에서 은하 주변 오염을 제거한 후 보정된 블랙홀 질량는 얼마인가?
• RQ4 고적색이동 초성단은 블랙홀 질량–항성 질량 평면에서 어디에 위치하며, M_BH/M_* 비율의 진화에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 관측 데이터와 몽테카를로 시뮬레이션을 고려할 때, z ≈ 6에서 M_BH/M_* 비율의 허용 가능한 진화 범위는 무엇인가?

주요 결과

• J2236+0032와 J2255+0251에서 NIRSpec G395M 스펙트럼에서 적색이동 약 6.4에서 항성 빛이 강력하게 검출되었으며, 각각 약 20%와 10%의 은하 기여도를 보였다.
• J2236+0032의 비르발 블랙홀 질량는 은하 주변 오염을 보정한 후 (1.36 ± 0.15) × 10⁹ M☉로 수정되었다.
• J2255+0251의 비르발 블랙홀 질량는 (1.97 ± 0.17) × 10⁸ M☉로 보정되었으며, 관측된 복사원에 있어 상당한 은하 기여가 있었다.
• J2255+0251의 경우, F356W 대역에서 슬릿 개구부 내 [O iii] 방출이 전체 복사원의 약 11% 기여하였지만, 대부분은 비틀림된 초성단 방출로 간주되어 분해 기법을 통해 제거되었다.
• J2236+0032의 경우, [O iii] 방출은 은하 주변 빛의 약 3% 기여에 그쳤으며, Hβ 방출은 검출되지 않았다.
• M_BH/M_* ∝ (1+z)^γ에서 γ의 진화 지수는 68% 신뢰구간 내에서 −0.40에서 +0.84 사이로 제약되었으며, 이는 z ≈ 6에서 M_BH/M_* 비율에 강한 진화가 없거나 약간의 증가가 있을 수 있음을 시사한다.