[논문 리뷰] First results from the JWST Early Release Science Program Q3D: Ionization cone, clumpy star formation and shocks in a $z=3$ extremely red quasar host

Andrey Vayner, Nadia L. Zakamska외 26명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 13.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

JWST/NIRSpec IFU 관측을 통해 이 연구는 z=2.94인 극도로 빨간색인 활성은하핵을 가진 은하에서 이온화 메커니즘을 맵핑하였으며, 이온화 콘의 외부에 넓은 각도의 충격파를 가진 활성은하핵에 의해 유도된 외부 흐름이 존재하고, 200 M⊙ yr⁻¹의 덩어리진 별 형성과 극한의 은하간매질(ISM) 조건(ne ≈ 3,000 cm⁻³, AV ≤ 3 mag)을 드러냈다. 콘의 외부 충격파의 검출은 넓은 개구각을 가진 바람임을 확인하였으며, 이는 宇宙의 정점 시기 동안 활성은하핵 피드백의 광범위한 영향을 보여준다.

ABSTRACT

Massive galaxies formed most actively at redshifts $z=1-3$ during the period known as `cosmic noon.' Here we present an emission-line study of an extremely red quasar SDSSJ165202.64+172852.3 host galaxy at $z=2.94$, based on observations with the Near Infrared Spectrograph (NIRSpec) integral field unit (IFU) on board JWST. We use standard emission-line diagnostic ratios to map the sources of gas ionization across the host and a swarm of companion galaxies. The quasar dominates the photoionization, but we also discover shock-excited regions orthogonal to the ionization cone and the quasar-driven outflow. These shocks could be merger-induced or -- more likely, given the presence of a powerful galactic-scale quasar outflow -- these are signatures of wide-angle outflows that can reach parts of the galaxy that are not directly illuminated by the quasar. Finally, the kinematically narrow emission associated with the host galaxy presents as a collection of 1 kpc-scale clumps forming stars at a rate of at least 200 $M_{\odot}$ yr$^{-1}$. The ISM within these clumps shows high electron densities, reaching up to 3,000 cm$^{-3}$ with metallicities ranging from half to a third solar with a positive metallicity gradient and V band extinctions up to 3 magnitudes. The star formation conditions are far more extreme in these regions than in local star-forming galaxies but consistent with that of massive galaxies at cosmic noon. JWST observations reveal an archetypical rapidly forming massive galaxy undergoing a merger, a clumpy starburst, an episode of obscured near-Eddington quasar activity, and an extremely powerful quasar outflow simultaneously.

연구 동기 및 목표

• 우주의 정점 시기(z ≈ 3)에 위치한 거대하고 먼지가 많은 활성은하핵 은하에서 이온화 메커니즘을 이해하기 위해.
• 활성은하핵에 의해 유도되는 외부 흐름이 은하의 은하간매질(ISM)을 가열하고 이온화하는 데 미치는 역할을 조사하기 위해.
• 전자 밀도, 금속성, 투명도를 포함한 물리적 조건을 포함하여 덩어리진 별 형성 영역의 특성을 규명하기 위해.
• 충격에 의해 자극된 방출이 이온화 콘 외부에서도 감지 가능한지 확인하여 넓은 각도의 외부 흐름을 밝혀내기 위해.
• 활성은하핵의 광이온화가 확장된 Lyα 성운과 이웃한 은하로까지 영향을 미치는 정도를 평가하기 위해.

제안 방법

• 활성은하핵 은하 및 이웃한 은하들 전역에서 공간 해상도가 높은 발광선 데이터를 확보하기 위해 JWST/NIRSpec의 통합장치(IFU) 분광법을 사용하였다.
• 표준 발광선 진단 다이어그램(예: [O III]/Hβ, [S II]/Hα)을 적용하여 광이온화, 충격 자극, 별 형성의 구분을 하였다.
• IFU 데이터 큐브의 운동학적 및 이온화 구조를 모델링하기 위해 q3dfit 소프트웨어를 사용하였다.
• Balmer 감쇠(Hα/Hβ)를 이용해 먼지 투과도를 보정하고, 별 형성률을 유도하였다.
• 광이온화 평형을 가정하고 [O II] 및 [O III] 선 비율을 사용하여 금속성 기울기를 맵핑하였다.
• 외부 흐름 기하학 및 충격 자극을 추론하기 위해 공간 해상도가 높은 선비율을 시뮬레이션과 비교하였다.

Figure 1: On the left, we present line-integrated [O III ] 5007 Å flux in units of $\times 10^{-17}$ erg s -1 cm -2 Å -1 arcsec -2 , in the middle, we present the radial velocity centroid ( $v_{50}$ ) map in units of km s -1 and on the right the velocity dispersion maps for each detected kinematic c

실험 결과

연구 질문

• RQ1 활성은하핵 은하 및 그 이웃들 각각의 다양한 영역에서 지배적인 이온화 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 이온화 콘 외부에서도 충격에 의해 자극된 영역이 감지 가능한가? 그리고 그것이 외부 흐름 기하학에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ3 은하의 덩어리진 별 형성 영역에서의 물리적 조건(밀도, 금속성, 투과도)은 무엇인가?
• RQ4 활성은하핵의 광이온화가 이웃한 은하 및 조석 기하학으로 얼마나 확장되는가?
• RQ5 활성은하핵에 의해 유도된 외부 흐름이 은하의 은하간매질과 별 형성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 이온화 콘에 수직인 방향으로 콘 외부에 충격에 의해 자극된 영역이 감지되었으며, 이는 넓은 개구각을 가진 활성은하핵 외부 흐름이 직접적인 시선 외부 영역에도 상당한 영향을 미친다는 것을 시사한다.
• 은하의 주요 은하에는 최소 9개의 1 kpc 스케일의 별 형성 덩어리가 존재하며, 총 별 형성률은 최소 200 M⊙ yr⁻¹에 이르며, 이는 우주의 정점 시기의 극한 조건과 일치한다.
• 별 형성 덩어리 내의 전자 밀도는 최대 3,000 cm⁻³에 이르며, 지역 별 형성 은하들보다 현저히 높으며, V-대역 투과도는 최대 3 magnitudes에 이른다.
• 동북부 별 형성 영역의 산소 농도는 태양 농도의 반에서 삼분의 일 수준이며, 중심에서 외곽으로 향해 긍정적인 금속성 기울기가 관측되었다.
• 대부분의 영역에서 광이온화가 지배적이지만, 이온화 콘 외부에서 충격을 감지한 것은 활성은하핵 바람이 직접 조명되지 않은 가스에도 영향을 미칠 수 있음을 확인한다.
• 활성은하핵 광이온화의 증거는 이웃한 은하와 조석 꼬리까지 확장되어 있으며, 이는 유사한 활성은하핵 주변의 확장된 Lyα 성운을 형성하는 데서 활성은하핵의 역할을 뒷받침한다.

Figure 2: A color composite of ionized gas emission in the J1652 quasar host galaxy and the immediate environment. [O III ] is assigned to blue, H $\alpha$ is assigned to green, [N II ] is assigned to red and [S II ] is assigned to orange. Bar on the left represents 1 arcsecond, and the quasar is lo