[논문 리뷰] Extreme N-emitters at high-redshift: signatures of supermassive stars and globular cluster or black hole formation in action?

R. Marques-Chaves, D. Schaerer외 10명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 09.

Astrophysics and Star Formation Studies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고적색편이(z=8.68)의 극한 N-방출체인 CEERS-1019을 특정하여, 태양보다 높은 N/O 비율(log(N/O) = -0.18 ± 0.11)을 가지며, 원시 별개 형성의 강력한 후보로 규명한다. JWST/NIRSpec 데이터와 광학적 이온화 모델링을 통해 관측된 N/O 농도 비정상성은 초거대 별(SMS)의 오염으로 가장 잘 설명되며, 이는 초기 우주에서 SMS 존재에 대한 가장 강력한 간접적 증거를 제공하고, N-방출체가 원시 별개 형성과 잠재적인 중량급 블랙홀 씨앗 형성과 연결됨을 시사한다.

ABSTRACT

[Abridged] Using the JWST/NIRSpec observations from CEERS we found an extreme N-emitter, CEERS-1019 at z=8.6782 showing intense NIV and NIII emission. From the observed rest-UV and optical lines we conclude that it is compatible with photoionization from stars and we determine accurate abundances for C, N, O, and Ne, relative to H, finding a highly supersolar ratio log(N/O) = -0.18+/-0.11, and normal log(C/O) = -0.75+/-0.11 and log(Ne/O) = -0.63+/-0.07, for its low metallicity, 12+log(O/H)= 7.70+/-0.18. We also analyze other N-emitters from the literature. All show strongly enhanced N/O ratios and two of them normal C/O. Massive star ejecta from WR stars are needed to explain the galaxies with enhanced C/O (Lynx arc and Mrk 996). On the other hand, supermassive stars (>1000 Msun, SMS) in the ``conveyer-belt model'' put forward to explain globular clusters (GCs), predict a high N/O and small changes in C/O, compatible with CEERS-1019, the Sunburst cluster, SMACS2031, and GN-z11. Based on the chemical abundances, possible enrichment scenarios, compactness, and high ISM density, we suggest that CEERS-1019, SMACS2031, and the Sunburst cluster could contain proto-GCs. Finally, we propose that some N-emitters enriched by SMS could also have formed intermediate-mass black holes, and we suggest that this might be the case for GN-z11. Our observations and analysis reinforce the suggested link between some N-emitters and proto-GC formation, which is supported both by empirical evidence and quantitative models. Furthermore, the observations provide possible evidence for the presence of supermassive stars in the early Universe (z>8) and at z~2-3. Our analysis also suggests that the origin and nature of the N-emitters is diverse, including also objects like GN-z11 which possibly host an AGN.

연구 동기 및 목표

• 고적색편이에서 극단적인 N-방출체를 식별하고, 이들의 이례적인 질소 농도 비율을 특성화하기 위해.
• 이 N-방출체가 초거대 별(SMS) 형성 또는 원시 별개(GC) 형성의 지표인지를 규명하기 위해.
• 질량이 큰 별의 바람(WR 시나리오)과 SMS의 방출물 간의 오염를 구분하여 관측된 화학 농도를 설명하기 위해.
• 원시 별개 형성에 기여할 수 있는 물리적 조건—예를 들어, 밀도가 높은 별질량 표면 밀도, 높은 은하간매질(ISM) 밀도 등—을 평가하기 위해.

제안 방법

• CEERS 조사에서 확보한 JWST/NIRSpec 분광 데이터를 분석하여, z=8.6782에서의 CEERS-1019의 보정된 자외선 및 가시광선 방출선을 측정하기 위해.
• 이온화원의 특성과 이온화 매개변수, 전자 밀도, 금속성 농도를 추정하기 위해 광학적 이온화 모델링을 수행하기 위해.
• 질량이 큰 별의 바람 모델(WR 시나리오)과 초거대 별(SMS) 방출물 모델 예측과 비교하여 관측된 C, N, O, Ne 농도를 분석하기 위해.
• 일관된 광학적 이온화 및 농도 분석 기법을 사용하여 이전에 알려진 N-방출체(예: Sunburst 클러스터, SMACS2031, Lynx 아크, Mrk 996)를 재분석하기 위해.
• 다중 파장 SED 피팅을 통해 은하의 별질량 표면 밀도(ΣM⋆)와 반광반경을 평가하여, 밀도와 별개 형성 잠재력의 정도를 평가하기 위해.
• SMS 오염에 대한 '벨트 운반 모델'을 적용하여, CEERS-1019, SMACS2031, GN-z11에서 관측된 높은 N/O 비율과 낮은 C/O 비율 변화를 설명하기 위해.

Figure 1: Overview of the JWST observations of CEERS-1019 at $z=8.6782$ . Top: 1D and 2D low-resolution NIRSpec/PRISM spectra (black) and 1 $\sigma$ uncertainty (grey). Vertical dashed lines (green) mark the position of well-detected nebular emission lines. The X-axis in the bottom and top panels re

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CEERS-1019의 극단적인 N/O 농도 비율은 표준 질량이 큰 별(WR) 바람 오염으로 설명될 수 있는가, 아니면 초거대 별(SMS) 방출물이 필요한가?
• RQ2 CEERS-1019의 물리적 성질—예를 들어, 높은 별질량 표면 밀도(ΣM⋆ ≳ 10^3.5 M⊙ pc⁻²)와 밀도가 높은 형태—은 이가 원시 별개로 분류되는 데 기여하는가?
• RQ3 렌즈 효과를 거친 N-방출체(SMACS2031, Sunburst 클러스터 등)에서 관측된 농도 비율은 SMS 오염 모델과 WR 오염 모델 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 태양보다 높은 N/O 비율을 가지는 N-방출체와 중량급 블랙홀 형성 간에 연관성이 있는가, 특히 GN-z11와 같은 천체에서 그러한 연관성이 있는가?
• RQ5 은하간매질 밀도(ne ≈ 10⁴–10⁵ cm⁻³)와 낮은 오염물질 희석 정도가 이 고적색편이 은하에서 관측된 농도 비정상성을 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• CEERS-1019는 log(N/O) = -0.18 ± 0.11의 태양보다 높은 N/O 비율을 보이며, 12 + log(O/H) = 7.70 ± 0.18로 금속성 낮고 극도로 질소가 풍부한 것으로 나타났다.
• 이 은하의 별질량 표면 밀도는 log(ΣM⋆ / M⊙ pc⁻²) ≈ 3.55–4.14에 이르며, 반광반경은 약 100–150 pc로, 밀도가 높고 빽빽한 별 형성 시스템과 일치한다.
• 높은 N/O 비율은 SMS 방출물과 오염되지 않은 ISM을 혼합함으로써 가장 잘 설명되며, C/O 비율은 SMS 오염의 '벨트 운반 모델'과 일치한다.
• Lynx 아크와 Mrk 996는 C/O 비율이 높아, 질량이 큰 WR 별의 오염을 나타내며, 이는 원시 별개 후보에서 제외된다.
• CEERS-1019, SMACS2031, Sunburst 클러스터는 밀도가 높고, ISM 밀도가 높으며, SMS와 호환되는 농도 패턴을 보이므로 원시 별개의 가장 가능성이 높은 후보로 규명되었다.
• 이 연구는 GN-z11가 AGN를 포함하고 있음에도 불구하고 여전히 SMS에 의해 오염되었을 가능성이 있으며, N-방출체와 중량급 블랙홀 형성 간의 잠재적 연관성을 시사한다.

Figure 2: Zoom-in to the rest-frame UV part of the PRISM spectrum of CEERS-1019 (black and 1 $\sigma$ uncertainty in grey). Vertical dashed lines (green) mark the position of nebular emission lines. The blue line is the best fit for several UV emission lines and continuum. The bottom panel shows the