[논문 리뷰] EIGER II. first spectroscopic characterisation of the young stars and ionised gas associated with strong H$β$ and [OIII] line-emission in galaxies at z=5-7 with JWST

Jorryt Matthee, Ruari Mackenzie외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 15.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 제임스 웹 우주望遠鏡/NIRCam 슬릿리스 분광법를 사용하여 z=5.33–6.93 범위의 117개 은하에서 강한 Hβ 및 [OIII] 발산을 처음으로 분광학적으로 확인하였다. 이는 극도로 젊고, 금속 농도가 낮으며,-dust 농도도 낮은 시스템을 드러내며, 극단적인 발산선 등가폭(최대 3000 Å), 높은 이온화 매개변수, 그리고 z≈6에서 z≈2에 비해 [OIII] 빛 밀도가 증가한 것으로 나타나, 재이온화 시기 동안 고적색도 은하 집단을 탐색하는 데 [OIII] 발산이 매우 효율적인 추적자임을 입증한다.

ABSTRACT

We present emission-line measurements and physical interpretations for a sample of 117 [OIII] emitting galaxies at $z=5.33-6.93$, using the first deep JWST/NIRCam wide field slitless spectroscopic observations. Our 9.7-hour integration is centered upon the $z=6.3$ quasar J0100+2802 -- the first of six fields targeted by the EIGER survey -- and covers $λ=3-4$ microns. We detect 133 [OIII] doublets, but merge pairs within $\approx$10 kpc and 600 km s$^{-1}$, motivated by their small scale clustering excess. We detect H$β$ in 68 and H$γ$ emission in two galaxies. The galaxies are characterised by a UV luminosity M$_{ m UV}\sim-19.6$ ($-17.7$ to $-22.3$), stellar mass ~$10^8$ $(10^{6.8-10.1})$ M$_{\odot}$, H$β$ and [OIII] EWs $\approx$ 850 Angstrom (up to 3000 Angstrom), young ages (~100 Myr), a highly excited interstellar medium ([OIII]/H$β\approx6$) and low dust attenuations. These high EWs are very rare in the local Universe, but we show they are ubiquitous at $z\sim6$ based on the measured number densities. The stacked spectrum reveals H$γ$ and [OIII]$_{4364}$ which shows that the galaxies are typically dust and metal poor (E(B-V)=0.1, 12+log(O/H)=7.4) with a high electron temperature ($2 imes10^4$ K) and a production efficiency of ionising photons ($ξ_{ m ion}=10^{25.3}$ Hz erg$^{-1}$). We further show the existence of a strong mass-metallicity relation. The young highly ionising stellar populations, moderately low metallicities, low dust attenuations and high ionisation state in z~6 galaxies conspire to maximise the [OIII] output from galaxies, yielding an [OIII] luminosity density at z~6 that is significantly higher than at z~2, despite the order of magnitude decline in cosmic star formation. Thus, [OIII] emission-line surveys with JWST prove a highly efficient method to trace the galaxy density in the epoch of reionization.

연구 동기 및 목표

• JWST를 사용하여 z=5–7 범위에서 강한 Hβ 및 [OIII] 발산를 보이는 고적색도 은하의 물리적 성질을 분광학적으로 특성화하는 것.
• 이 은하들의 항성 및 기체상 성질(나이, 금속 농도,-dust 감쇠, 이온화 광자 생성 효율)을 결정하는 것.
• 이온화 광자 생성 효율을 측정하고, 저적색도 대비 비교함으로써 이 은하들이 우주 재이온화에 미치는 영향을 평가하는 것.
• z≈6에서 강선 금속 농도 보정식의 타당성을 [OIII] 4364의 검출을 통해 검증하는 것.
• [OIII] 발산선 조사가 재이온화 시기 동안 은하 밀도를 맵핑하는 데 얼마나 효율적인지 평가하는 것.

제안 방법

• z=6.3의 와이드 스펙트럼을 중심으로 한 9.7시간에 걸친 깊은 JWST/NIRCam 광역 슬릿리스 분광법(WFSS) 촬영을 수행하여 λ=3–4 μm 범위를 커버하였다.
• 117개의 [OIII]-발산 은하에서 스펙트럼을 추출하고 스택하여 Hγ 및 [OIII] 4364와 같은 약한 선을 검출함으로써 정밀한 기체상 금속 농도 및 전자 온도 측정이 가능하도록 하였다.
• 광도 및 발산선 피팅을 통해 CIGALE를 사용하여 별질량, 나이,-dust 감쇠(E(B-V))를 유도하였다.
• Hβ 및 [OIII] 선 강도 비율을 이용하여 이온화 복사 빛의 세기와 항성 형성률의 비율을 통해 이온화 광자 생성 효율(ξ_ion)을 계산하였다.
• 강선 금속 농도 보정식(R23, O3Hβ 등)을 적용하여 관측된 선 비율에서 12+log(O/H)를 유도하였으며, [OIII] 4364의 검출로 검증하였다.
• [OIII] 빛 밀도를 z≈6에서 측정하고, 동일한 빛 밀도 함수 및 항성 형성률 밀도 추정치를 사용하여 z≈2와 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z≈6에서 강한 Hβ 및 [OIII] 발산를 보이는 은하의 물리적 성질(나이, 질량, 금속 농도, -dust 함량)은 무엇인가?
• RQ2 z≈6에서의 [OIII] 빛 밀도는 z≈2와 비교하여 어떻게 다를지, 그 차이의 원인은 무엇인가?
• RQ3 z≈6에서 강선 금속 농도 보정식은 어느 정도 유효한가? 고적색도에서 추정되는 질량-금속 농도 관계는 어떠한가?
• RQ4 고적색도 은하의 이온화 광자 생성 효율(ξ_ion)은 얼마이며, 지역 및 z≈2 시스템과 비교하여 어떻게 다를까?
• RQ5 JWST를 이용한 [OIII] 발산선 조사로 재이온화 시기 동안 은하 과밀도와 군집을 효율적으로 탐색할 수 있는가?

주요 결과

• z=5.33–6.93 범위의 117개 [OIII]-발산 은하 샘플은 중간 UV magnitude M_UV ≈ -19.6, 별질량 ~10^8 M⊙, Hβ+[OIII] 등가폭 ~850 Å(최대 3000 Å)를 보이며, 극도로 강한 이완 발산을 나타낸다.
• 스택된 스펙트럼은 Hγ 및 [OIII] 4364를 확인하여 기체상 금속 농도 12+log(O/H) = 7.38 ± 0.09(약 10% 태양 농도), 낮은 -dust 감쇠(E(B-V) = 0.14^{+0.16}_{-0.14}), 그리고 약 2×10^4 K의 높은 전자 온도를 나타낸다.
• 이온화 광자 생성 효율은 매우 높으며, ξ_ion = 10^25.3 Hz erg⁻¹로, 은하 내부 매질의 효율적인 이온화를 나타낸다.
• z≈6에서의 [OIII] 빛 밀도는 z≈2에 비해 2–5배 높으며, 이는 우주 항성 형성률 밀도가 약 10배 감소한 상황에서도 고적색도에서 저질량, 금속 농도가 낮고 -dust 농도도 낮은 은하가 지배하기 때문이다.
• z≈6에서 강한 질량-금속 농도 관계가 관측되었으며, [OIII]/Hβ는 약 10^8 M⊙에서 최대치를 보이며, 낮거나 높은 질량에서 감소하는 경향을 보이며 이론적 예측과 일치한다.
• Hγ 및 [OIII] 4364와 같은 희미한 선의 검출은 WFSS를 사용하여 연속 스펙트럼의 오염을 최소화하면서도 고적색도 은하의 -dust, 금속 농도, 이온화 상태를 탐색할 수 있음을 확인한다.