[논문 리뷰] Extreme emission line galaxies detected in JADES JWST/NIRSpec I: inferred galaxy properties

Kristan Boyett, Andrew J. Bunker외 34명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 30.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 11

한 줄 요약

본 연구는 JWST/JADES에서 3<z<9.5의 샘플 85개의 항성형 은하를 분석하고, [OIII] 5007 나머지 프레임 EW >750 Å를 통해 36개의 극단 발산선 은하(EELG)를 식별하며 이들의 특성과 적색편이 진화를 탐구한다.

ABSTRACT

Extreme emission line galaxies (EELGs) exhibit large equivalent widths (EW) in their rest-optical emission lines ([OIII]$\lambda5007$ or H$α$ rest-frame EW$ &gt; 750Å$) which can be tied to a recent upturn in star formation rate, due to the sensitivity of the nebular line emission and the rest-optical continuum to young ($&lt;10$Myr) and evolved stellar populations, respectively. By studying a sample of 85 star forming galaxies (SFGs), spanning the redshift and magnitude interval $3 $ M$_{UV}&gt;-21$, in the JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) with NIRSpec/prism spectroscopy, we determine that SFGs initiate an EELG phase when entering a significant burst of star formation, with the highest EWs observed in EELGs with the youngest luminosity-weighted ages ($&lt;5$ Myr old) and the highest burst intensity (those with the greatest excess between their current and long-term average SFR). We spectroscopically confirm that a greater proportion of SFGs are in an EELG phase at high redshift in our UV-selected sample ($61\pm4\%$ in our $z&gt;5.7$ high-redshift bin, compared to $23^{+4}_{-1}\%$ in our lowest-redshift bin $35.7$ have observed Lyman-$α$ emission, potentially lying within large ionised regions. The high detection rate of Lyman-$α$ emitters in our EELG selection suggests that the physical conditions associated with entering an EELG phase also promote the escape of Lyman-$α$ photons.

연구 동기 및 목표

• 3<z<9.5의 신적색편이 항성형 은하의 신뢰할 수 있는 rest-optical 발산선 확보를 식별하고 구성한다.
• [OIII] 5007 rest-frame EW 임계값을 기반으로 EELG를 정의하고 선택하여 EELG 인구를 정량화한다.
• EELG의 물리적 특성(이온화, 금속함량, SFH, Ly-alpha)을 비-EELG와 비교하여 특성화한다.
• 적색편이 및 선택 효과에 따라 EELG의 비율과 특성이 어떻게 진화하는지 조사한다.
• 고적색편이 은하에서 이온화 광자 생산과 탈출에 대한 시사점을 도출한다.

제안 방법

• JWST가 배정한 NIRSpec 프리즘 및 중분해능(R~1000) 분광 데이터를 JADES DEEP 프로그램에서 사용하여 z>3에서의 [OIII] 5007 및 H-beta를 비롯한 발산선을 탐지한다.
• Gaussian 적합으로 발산선의 플럭스를 측정하고, apodised NIRCam 광도계의 연속 광도 밀도와 필터 전달 및 선 오염 보정을 결합하여 rest-frame EW를 도출한다.
• EELG 샘플을 정의하기 위해 [OIII] 5007 EW >750 Å를 기준으로 설정하고, 한 소스는 1-sigma 내에 포함한다.
• 적색편이별로( z=5.7로 나누고 EW로도 구분) 평균 특성을 연구하기 위해 스택 분광를 사용하고 EELG와 비-EELG를 비교한다.
• UV-selected 고적색편이 표적의 선택 편향과 Optical-selected 저적색편이 표적에서의 가능해 보이는 연속추정(systematics)을 다룬다.

Figure 1: Redshift distribution of the JADES targeted galaxies (prism in orange, R1000 grating in green) and our defined full sample (red, $z>3$ galaxies with multiple emission lines, including [OIII] $\lambda 5007$ , detected at $>5\sigma$ ). Galaxies in our full sample with coverage in the prism a

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UV-selected 고적색편이 은하들 중 EELG의 보편성은 어떠하며 적색편이에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 EELG 진입에 수반되는 물리적 조건(이온화, 금속함량, SFH)은 무엇이며, 비-EELG와 어떻게 다른가?
• RQ3 고적색편이에서 EELG는 비-EELG보다 더 효율적으로 이온화 광자를 생성(xi_ion)하는가, 재이온화에 대한 시사점은 무엇인가?
• RQ4 EELG 단계가 Ly-alpha 탈출을 촉진하는 증거가 있는가, Ly-alpha 방출은 EELG 특성과 어떻게 상관하는가?

주요 결과

• 35개의 은하가 [OIII] 5007 EW >750 Å 임계값을 충족하며, 추가로 1-sigma 내에 있는 소스가 있어 총 36/85(42%)의 z>3 발산선 샘플이 EELG이다.
• UV-selected 고적색편이 구간(z>5.7)에서 EELG의 분율은 61±4%로, 낮은 적색편이 구간(3<z<4.1)에서의 23+4−1%보다 높다.
• EELG는 평균 이온화 효율이 더 높아 log10(xi_ion,HII / erg−1 Hz) = 25.5±0.2로 비-EELG보다 높다.
• z>5.7의 EELG 중 53%(9/17)가 Ly-alpha 관측 방출을 보이며, 이 시기에 큰 이온화 영역과 Ly-alpha 탈출이 강화되었음을 시사한다.
• 고적색편이 EELG의 스택 분광은 [OIII]5007 EW ≈1524±201 Å, H-alpha EW ≈1129±158 Å, O32 ≈25.8±4.7로 비-EELG에 비해 고도로 이온화되고 응축된 시스템임을 나타낸다.
• 본 연구는 광범위한 적색편이 범위에 걸친 EELG 특성 데이터세트를 제공하며, 버스트성 SFH, 금속함량 진화와 EELG 단계 간의 연계를 강조한다.

Figure 2: Distribution of equivalents widths. Left panel presents the [OIII] $\lambda 5007$ EW distribution for the whole sample (black) and split into a high redshift ( $z>5.7$ , blue) and low redshift ( $z<5.7$ , orange) sub-samples. Right panel shows the same distributions for the H $\alpha$ EW.