[논문 리뷰] GA-NIFS: Early-stage feedback in a heavily obscured AGN at $z=4.76$

Eleonora Parlanti, Stefano Carniani외 20명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 11.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 17인용 수 4

한 줄 요약

JWST/NIRSpec 적층 스펙트로스코피를 활용해, z=4.76에서 중성자별에 의해 강하게 차폐된 AGN ALESS073.1에서 넓은 Hα 선을 검출하였다. 이는 초거대 블랙홀(로그 M_BH/M☉ > 8.7)이 Eddington 비율의 15% 미만으로 물질을 붙들고 있음을 확인한다. 고도로 먼지로 차폐된 상태(고도 N_H ~ 10^24 cm⁻²)임에도 불구하고 넓은 선형 영역의 존재로 인해 이는 Type 1 AGN로 분류되며, 질량 적재율이 약 0.01인 약간 해상도가 낮은 이온화된 물질 분출이 중심 영역의 난류를 증가시키지만, 항성 형성은 억제되지 않는다.

ABSTRACT

Dust-obscured galaxies are thought to represent an early evolutionary phase of massive galaxies in which the active galactic nucleus (AGN) is still deeply buried in significant amounts of dusty material and its emission is strongly suppressed. The unprecedented sensitivity of the James Webb Space Telescope enables us for the first time to detect the rest-frame optical emission of heavily obscured AGN and unveil the properties of the hidden accreting super-massive black holes (BHs). In this work, we present the JWST/NIRSpec IFS data of ALESS073.1, a massive, dusty, star-forming galaxy at $z = 4.76$ hosting an AGN at its center. The detection of a very broad $H_α$ emission associated with the Broad Line Region (BLR) confirms the presence of a BH ($\log(M_{BH}/M_\odot)>8.7$) accreting at less than 15\% of its Eddington limit and classifies the target as a Type 1 AGN. The rest-frame optical emission lines also reveal a fast ionized gas outflow marginally resolved in the galaxy center. The high sensitivity of NIRSpec allows us to perform the kinematic analysis of the narrow H$α$ component which indicates that the warm ionized gas velocity field is consistent with disk rotation. We also find that, in the innermost nuclear regions ($< 1.5$ kpc), the intrinsic velocity dispersion of the disk reaches $\sim 150$ km/s, $\sim 2-3$ times higher than the velocity dispersion inferred from the [CII] 158$μ$m line tracing mostly cold gas. Since, at large radii, the velocity dispersion of the warm and cold gas are comparable, we conclude that the outflows are injecting turbulence in the warm ionized gas in the central region, but they are not sufficiently powerful to disrupt the dense gas and quench star formation. These findings support the scenario that dust-obscured galaxies represent the evolutionary stage preceding the unobscured quasar when all gas and dust are removed from the host.

연구 동기 및 목표

• 고적색(z=4.76)에서 강하게 차폐된 AGN에서 초기 단계의 피드백 메커니즘을 조사하기 위해, AGN 피드백이 초기 단계에 있을 것으로 예상된다.
• 휴대형 옵티컬 복사선을 이용해 ALESS073.1의 AGN의 물질 붙들임 상태와 블랙홀 질량을 규명한다.
• AGN에 의해 유도된 분출이 은하의 간성간 매질에 미치는 영향, 특히 항성 형성과 기체 운동에 미치는 영향을 평가한다.
• 지역 및 고적색 침체된 시스템과 비교해 M_BH/M_star 비율을 평가함으로써 블랙홀-은하 공동진화의 정도를 평가한다.
• 공간적 스케일을 기준으로 [N ii]/Hα 선비를 분석해 간성간 매질의 이온화 원인을 규명한다.

제안 방법

• JWST를 통해 ALESS073.1의 고감도, 공간 해상도가 높은 NIRSpec 적층 스펙트로스코피(IFS)를 확보하여 휴대형 옵티컬 복사선을 탐색한다.
• Hα 복사선의 운동학적 분해를 수행해 넓은(_BLF_) 및 좁은 성분을 분리하고, 속도 폭과 분출 특성을 측정한다.
• 은하 전역에서 [N ii] λ6585/Hα 비율을 측정해 이온화 원인을 구분한다: AGN 대비 젊은 항성.
• 분출 질량 유량과 항성 형성률을 사용해 이온화된 분출의 질량 적재율(ξ)을 계산한다.
• Hα 속도 분산과 [C ii] 158 μm 선 운동학을 비교해 다양한 기체 상에서 에너지 투입 정도를 평가한다.
• 별의 질량(로그 M_*/M☉ = 10.7)과 블랙홀 질량 추정치(로그 M_BH/M☉ > 8.7)를 사용해 M_BH/M_star 비율을 지역 및 고적색 기준과 비교 평가한다.

Figure 1: Spectrum in the central region from the G395H/F290LP cube. In the upper panel, we report in blue the spectrum extracted from a circular aperture of radius 0.15″centered in the central region with the associated error (gray-shaded region). We show the wavelengths around the H $\alpha$ compl

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ALESS073.1의 AGN는 어떤 물질 붙들임 상태에 있으며, 초거대 블랙홀의 존재를 확인할 수 있는가?
• RQ2 이온화된 기체 운동학은 강하게 차폐된 시스템에서 AGN에 의해 유도된 분출의 존재와 특성을 어떻게 드러내는가?
• RQ3 AGN는 은하의 간성간 매질을 어떻게 이온화하고 있으며, 젊은 항성에 의한 이온화와 비교해 어떤가?
• RQ4 분출은 간성간 매질에 얼마나 많은 에너지를 주입하며, 항성 형성을 억제할 수 있는가?
• RQ5 이 고적색 차폐 AGN의 M_BH/M_star 비율은 지역 및 고적색 침체 시스템과 비교해 어떻게 다른가?

주요 결과

• FWHM > 9000 km s⁻¹인 넓은 Hα 성분의 검출은 넓은 선형 영역의 존재를 확인하며, 이는 로그 M_BH/M☉ > 8.7인 초거대 블랙홀의 존재를 시사한다. 이는 고도로 먼지로 차폐된 상태(N_H ~ 10^24 cm⁻²)임에도 불구하고 확인된다.
• AGN는 BLR가 존재하므로 Type 1로 분류되며, 이는 JWST의 감도 덕분에 휴대형 옵티컬 복사선이 검출될 수 있음을 보여준다.
• 질량 적재율이 약 0.01인 약간 해상도가 낮은 이온화된 분출이 검출되었으며, 이는 은하에서 기체를 제거하는 데 낮은 효율성을 보임을 시사한다.
• 중심 영역의 Hα 속도 분산은 은하의 나머지 부분보다 2~3배 높아, 분출에 의해 난류가 증가했음을 나타낸다.
• [N ii]/Hα 비율은 중심 영역과 분출 성분에서 AGN가 주요 이온화 원인임을 보여주며, 더 큰 반경에서는 젊은 항성이 지배한다.
• M_BH/M_star 비율은 유사한 별 질량을 가진 지역 AGN보다 한 계단 이상 높아, 은하에 비해 초기 단계에서 블랙홀 성장이 더 빠르다는 것을 시사한다.

Figure 2: Spectrum of the central region from the G235H/F170LP cube. In the upper panel, we report in blue the spectrum around the [O iii ] $\lambda$ 5007Å emission, extracted from a circular aperture with a radius of 0.15″ in the central region with the associated error (gray-shaded region). In bla