[논문 리뷰] Extreme damped Lyman-$α$ absorption in young star-forming galaxies at $z=9-11$

K. E. Heintz, D. Watson외 19명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 01.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 17

한 줄 요약

JWST 관찰은 z ≈ 9–11 주변의 세 은하에서 log N_HI > 22인 극단적 방출흡수 DLAs를 나타내며, 국지 HI 가스가 풍부함과 초기 은하 형성 및 재이온화를 시사한다.

ABSTRACT

The onset of galaxy formation is thought to be initiated by the infall of neutral, pristine gas onto the first protogalactic halos. However, direct constraints on the abundance of neutral atomic hydrogen (HI) in galaxies have been difficult to obtain at early cosmic times. Here we present spectroscopic observations with JWST of three galaxies at redshifts $z=8.8 - 11.4$, about $400-600$ Myr after the Big Bang, that show strong damped Lyman-$α$ absorption ($N_{ m HI} > 10^{22}$ cm$^{-2}$) from HI in their local surroundings, an order of magnitude in excess of the Lyman-$α$ absorption caused by the neutral intergalactic medium at these redshifts. Consequently, these early galaxies cannot be contributing significantly to reionization, at least at their current evolutionary stages. Simulations of galaxy formation show that such massive gas reservoirs surrounding young galaxies so early in the history of the universe is a signature of galaxy formation in progress.

연구 동기 및 목표

• Epoch of reionization(z>8) 동안 은하 환경에서 중성 수소(HI)의 존재 양과 분포를 조사한다.
• IGM과 로컬(ISM/halo) HI 기여를 구분하며 Lyα 흡수의 감소 Wing 특징을 특징짓는다.
• 모은 은하의 물리적 특성(SFR, 금속함량, 가스 질량, 가스 분수)을 도출하고 재이온화 및 은하 형성에 대한 시사점을 평가한다.
• 관측된 HI 저장고를 시뮬레이션과 비교하여 초기 우주에서의 가스 공급 역사 이해를 돕는다.

제안 방법

• robust emission-line redshift를 가진 세 z>8 은하 시스템의 JWST/NIRSpec 프리즘 스펙트럼을 얻는다.
• IGM Gunn-Peterson 댐핑과 로컬 DL A(Voigt) 프로파일의 결합으로 Lyα 흡수를 모델링하여 N_HI를 피팅한다.
• PyMultiNest를 이용한 베이지안 다중 양상 중첩 샘플링으로 자유 매개변수(A_V, x_HI, N_HI)를 제약한다.
• intrinsic continua를 BPASS+Cloudy 템플릿으로 고정하고 템플릿 선택에 대한 강건성을 Δlog N_HI ≲ 0.1 dex로 평가한다.
• IGM 시나리오(x_HI = 0.1, 0.5, 1.0)를 탐구하고 sightline 시뮬레이션과 비교하여 흡수를 은하 주위 로컬 HI에 기인하도록 분류한다.

Figure 1: JWST/NIRSpec spectroscopic data. Main panels show the reduced and photometrically-calibrated NIRSpec/prism 1D spectra covering $1\mu$ m to $5.2\mu$ m (black) and the associated $1\sigma$ error spectrum (grey). The galaxy ID and spectroscopic redshifts from the identified emission lines are

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z≈9–11에서 은하 주변의 HI의 열(C) 칼럼 밀도는 얼마인가?
• RQ2 이 은하들 주위의 로컬 HI(DLAs)가 Lyα 댐핑 Wing에 IGN보다 어느 정도 기여하는가?
• RQ3 이 은하들의 물리적 특성(SFR, 금속도, 항성질량, 가스 내용)은 무엇이며 저적금(z) 유사체와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 관측된 HI 저장고가 가스 흡수 및 재이온화 동안의 은하 형성 시뮬레이션과 일치하는가?

주요 결과

• 세 z=9–11 은하 모두 log10(N_HI/cm^-2) = 22.10 ± 0.20(CEERS-43833), 22.20 ± 0.40(CEERS-16943), 22.40 ± 0.15(MACS0647-JD)의 극단적 DLA를 보인다.
• DLA가 IGM 댐핑 Wing을 넘어 Lyα 흡수를 지배하며, HI가 주로 IGM 중립성뿐만 아니라 은하 주변의 국지적 기여임을 시사한다.
• 유도된 HI 질량은 은하 주변 가스가 상당함을 시사하며, 가스 질량은 약 10^7.5–10^9 M_sun, 가스 분수 M_gas/M_* ≈ 5로 추정된다.
• SFR은 은하합성선에서 약 1.4~14.5 M_sun/yr 범위이고, 항성질량은 약 10^8–10^9 M_sun이며 금속도는 낮다(12+log(O/H) ≈ 7.4–7.7).
• DLAs로부터 추정된 가스 표면 밀도는 높아, DLAs만으로 추정된 것보다 더 큰 총 가스 저수지 가능성을 시사하며 KS와 일치하는 총 가스 질량이 필요할 수 있다.
• 시뮬레이션(Astraeus)은 관측된 고적-시대 시스템과 대략 일치하는 가스 질량 및 가스 분수를 예측하며, 초기 시대의 활발한 가스 축적을 시사한다.

Figure 2: H i column density relations. ( Left: ) The H i abundances of the three young, $z=9-11$ star-forming galaxies (red stars) compared to local green pea (GP) galaxies (blue dots) ( ? ) and the three most metal-poor galaxies at $z\approx 0$ (grey squares) ( ? ) as a function of gas-phase metal