[논문 리뷰] GA-NIFS: Black hole and host galaxy properties of two z$\simeq$6.8 quasars from the NIRSpec IFU

Madeline A. Marshall, Michele Perna외 21명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 09.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 5인용 수 10

한 줄 요약

논문은 JWST/NIRSpec IFU 관찰을 통해 z~6.8의 두 광퀘사로부터 Hβ와 Hα를 이용해 견고한 블랙홀 질량을 도출하고, 퀘사-호스트 방출을 분해하며, 동반-병합 특징을 식별하고, 호스트/동반 특성 및 이온화 흐름을 측정한다.

ABSTRACT

Integral Field Spectroscopy (IFS) with JWST NIRSpec will significantly improve our understanding of the first quasars, by providing spatially resolved, infrared spectroscopic capabilities which cover key rest-frame optical emission lines that have been previously unobservable. Here we present our results from the first two z>6 quasars observed as a part of the Galaxy Assembly with NIRSpec IFS (GA-NIFS) GTO program, DELS J0411-0907 at z=6.82 and VDES J0020-3653 at z=6.86. By observing the H$β$, [OIII], and H$α$ emission lines in these high-z quasars for the first time, we measure accurate black hole masses, $M_{ m{BH}}=1.85e9$ and $2.9e9$M$_\odot$, corresponding to Eddington ratios of $λ_{ m{Edd}}=0.8$ and 0.4 for DELS J0411-0907 and VDES J0020-3653 respectively. These provide a key comparison for existing estimates from the more uncertain MgII line. We perform quasar-host decomposition using models of the quasars' broad lines to measure the underlying host galaxies. We also discover multiple emission line regions surrounding each of the host galaxies, which are likely companion galaxies undergoing mergers with these hosts. We measure the star formation rates, excitation mechanisms, and dynamical masses of the hosts and companions, measuring the $M_{ m{BH}}/M_{ m{dyn}}$ ratios at high-z using these estimators for the first time. DELS J0411-0907 and VDES J0020-3653 both lie above the local black hole--host mass relation, and are consistent with the existing observations of $z\gtrsim6$ quasar host galaxies with ALMA. We detect ionized outflows in [OIII] and H$β$ from both quasars, with mass outflow rates of 58 and 525 M$_{\odot}$/yr for DELS J0411-0907 and VDES J0020-3653, much larger than their host star formation rates of <33 and <54 M$_\odot$/yr. This work highlights the exceptional capabilities of the JWST NIRSpec IFU for observing quasars in the early Universe.

연구 동기 및 목표

• Rest-frame Hβ 및 Hα 선을 JWST/NIRSpec로 관측 가능한 두 개의 z~6.8 광퀘사의 정확한 블랙홀 질량과 Eddington 비를 Determine한다.
• 퀘사-호스트 분해를 수행하여 호스트 은하의 방출을 복원하고, star formation, ISM 특성 및 역학을 평가한다.
• 주변의 방출선 영역을 상호 작용 가능 합병(companion merging)으로 간주하여 특징을 식별·표현하고, 호스트의 역학에 미치는 영향을 측정한다.
• 이온화 가스의 흐름 특성을 양적으로 평가하고, 질량 흐름 속도가 현지 관계와 비교하여 고적성 고적에서의 블랙홀-호스트 스케일링을 비교한다?

제안 방법

• 두 광퀘사(DELS J0411−0907 및 VDES J0020−3653)에 대해 3"×3" 시야와 2.87–5.27 μm의 스펙트럴 범위(R~2700)를 갖는 JWST NIRSpec IFU 관찰.
• BLR선에 대해 broken power-law를, GN/GB 라인에 Gaussian 성분을 사용하는 QubeSpec으로 퀘사 스펙트럼 피팅을 통해 Hβ, [O III], Hα 영역을 모델링.
• QDeblend3D를 사용하여 PSF를 broad-line regions에서 모델링하고, 두 파장 구간(검출기 간 gap의 blueward와 redward에서 각각 Hβ와 Hα를 사용)에서 해결되지 않은 방출을 빼서 퀘사-호스트를 분해.
• 공간적으로 해상된 선 분석을 돕기 위해 선택된 rest-frame 연속 창을 사용한 spaxel 단위의 연속체 차감.
• 최적화된 구간에서의 통합 스펙트럼 추출과 총 플럭스를 복원하기 위한 보정 계수.
• Hβ 및 Hα로부터 GN, GB, BLR 구성 요소의 선 동역학(V_r, FWHM) 및 선 광도를 측정하고, 이를 바탕으로 블랙홀 질량과 Eddington 비를 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 rest-frame Hβ 및 Hα를 사용할 때 두 z~6.8 광퀘사의 블랙홀 질량과 Eddington 비는 무엇인가?
• RQ2 퀘사-호스트 은하의 특성(SFR, 역학, 질량) 및 그 주변의 방출선 영역은 어떤가?
• RQ3 고적성에서의 로컬 M_BH–M_dyn 관계를 초과하는가, 그리고 이는 SMBH 성장을 시사하는가?
• RQ4 상호 작용이나 합병의 가시적 징후(동반 은하)가 있으며 이것이 호스트 특성과 흐름에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이온화된 흐름의 특성은 무엇이며 질량 흐름 속도는 호스트 SFR과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 측정된 블랙홀 질량: DELS J0411−0907 = 1.85^{+2}_{-0.8}×10^9 M_sun 및 VDES J0020−3653 = 2.9^{+3.5}_{-1.3}×10^9 M_sun.
• Eddington 비: λ_Edd = 0.8^{+0.7}_{-0.4} for DELS J0411−0907 and λ_Edd = 0.4^{+0.3}_{-0.2} for VDES J0020−3653.
• 퀘사-호스트 분해를 통해 호스트 은하의 방출과 다수의 주변 방출선 영역이 합병 동반체를 나타내는 것으로 보인다.
• [O III] 및 Hβ에서의 흐름 및 질량 흐름 속도가 각각 58^{+44}_{-37} M_sun/yr (DELS J0411−0907) 및 525^{+75}_{-92} M_sun/yr (VDES J0020−3653)로 호스트의 SFR(<33 및 <54 M_sun/yr)을 초과한다.
• 두 광퀘사 모두 로컬의 블랙홀–호스트 질량 관계를 상회하는 것으로 보이며, 다른 z>6 퀘사스 호스트 연구(ALMA 경향)와 일치한다.
• JWST NIRSpec IFU가 초기 우주에서 공간적으로 해상된 rest-frame optical 진단을 얻을 수 있는 능력을 보여준다.