[논문 리뷰] GN-z11: The environment of an AGN at $z=$10.603

Jan Scholtz, Callum Witten외 24명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 15.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 15인용 수 14

한 줄 요약

JWST/NIRSpec IFU가 z=10.603에서 AGN을 호스팅하는 GN-z11 주위의 확장된 Lyα 홀로, 근처 Lyα 블롭 및 과밀 지역의 후보 프로토클러스터 코어를 시사합니다.

ABSTRACT

Recent observations with the extit{James Webb} Space Telescope (JWST) have further refined the spectroscopic redshift of GN-z11, one of the most distant galaxies identified with the extit{Hubble} Space Telescope (HST) at $z=10.603$. The presence of extremely dense gas ($>10^{10}$ cm$^{-3}$), the detection of high-ionisation lines and of CII*1335 emission, as well as the presence of an ionisation cone, indicate that GN-z11 also hosts an Active Galactic Nucleus (AGN). Further photometric and spectroscopic follow-up demonstrates that it lies in a large-scale, overdense structure with possible signatures of Population III (PopIII) stars in its halo. Surprisingly, Ly$α$ has also been detected despite the expected largely neutral inter-galactic medium at such a redshift. We exploit recent JWST/NIRSpec IFU observations to demonstrate that the Ly$α$ emission in GN-z11 is part of an extended halo with a minimum size of 0.8--3.2 kpc, depending on the definition used to derive the halo size. The surface brightness of the Ly$α$ halo around GN-z11 appears consistent with Ly$α$ halos observed around $z\sim6$ quasars. At the wavelength of Ly$α$ at $z\sim$10.6, we identify three other emission line candidates within the IFU Field-of-View with no UV rest-frame counterpart visible in deep images from the JWST/NIRCam. If confirmed, this could be the first evidence that the local region of GN-z11 represents a candidate protocluster core, forming just 400 Myr after the Big Bang. We give a first estimate of the dark matter halo mass of this structure ($M_h$=2.96$^{+0.44}_{-0.39} imes$10$^{10}$ M$_{\odot}$), consistent with a Coma-like cluster progenitor.

연구 동기 및 목표

• GN-z11 주변의 공간적으로 해상된 Lyα 방출과 홀의 형태를 조사합니다.
• Gn-z11의 계통적 적색편차에 대한 Lyα의 속도 이동을 파악합니다.
• GN-z11 근처의 동반 은하 및 Lyα 방출 블롭을 탐색합니다.
• 환경과 과밀도를 평가하여 z≈10.6에서의 프로토클러스터 코어 가능성을 평가합니다.

제안 방법

• G140M/F100LP 및 G235M/F170LP 구성의 JWST/NIRSpec IFU 데이터를 사용해 방출선 매핑.
• Lyα 피크 ±400 km/s 구간에서 배경 제거 및 연속체 보정 채널 축소를 통해 Lyα 맵을 작성합니다.
• 정의된 영역에서 스펙트럼을 추출하고 가우시안 프로파일로 피팅해 플럭스, FWHM, 속도 이동을 얻습니다.
• Lyα 홀의 크기와 표면 밝기를 시뮬레이션 및 z~6 준성은관의 Lyα 홀과 스타형 은하의 Lyα 홀과 비교합니다.
• IFU 필드 내 Lyα 블롭 및 잠재적 동반 방출선(CIV, HeII 등)을 식별하고 분석합니다.
• 주변 구조의 다크 물질 홀 질량을 풍부도 기반 방법으로 추정합니다.

Figure 1: Left column: JWST/NIRCAM F277W continuum image with Ly $\alpha$ emission map overlaid as red dashed contours (2,3,4 and 5 $\sigma$ levels). For each row, we also plot the mask used to extract the spectrum on the right as blue solid lines. These regions were selected to estimate the total L

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GN-z11의 z=10.603에서 Lyα 홀의 규모와 표면 밝기 프로파일은 무엇입니까?
• RQ2 홀의 서로 다른 영역에서 GN-z11의 계통적 적색편차에 대한 Lyα의 속도 이동은 어느 정도입니까?
• RQ3 동반 Lyα 방출 블롭이 GN-z11 주위에 프로토클러스터 환경을 시사합니까?
• RQ4 GN-z11 지역은 시뮬레이션 및 고적단에서의 Lyα 홀과 고적단의 Lyα 홀과 어떻게 비교됩니까?
• RQ5 주변 구조의 유추된 다크 물질 홀 질량은 무엇이며 Coma 유사 기원과의 일관성은 어떠합니까?

주요 결과

• GN-z11 주위의 Lyα 홀은 두 가지 정의 하에서 반경이 0.8 ~ 3.2 kpc로 확장됩니다.
• 중심 영역의 Lyα 중심선 속도 이동은 520+66-55 km/s이고 NE 확장부는 915+86-85 km/s입니다.
• Lyα 홀의 표면 밝기와 크기는 z~6 준 퀘이사들의 홀과의 비교에서 스타형 은하의 홀보다 더 일관된 특성을 보입니다.
• GN-z11에서 약 0.4'' 남동쪽에 Lyα를 방출하는 블롭이 검출되었고, CIV]의 예비 검출은 고도로 이온화된 소스를 시사합니다.
• 동반 Lyα 방출 블롭이 2.1'' 동쪽에 두 번째로 검출되어 다수의 동반체와 과밀 환경을 시사합니다.
• 예비 프로토클러스터 분석에서 다크 물질 홀 질량이 약 2.96(+0.44,-0.39)×10^10 M☉으로, z≈10.6에서 Coma 유사 클러스터 기원의 가능성과 일치합니다.

Figure 2: Comparison of the Ly $\alpha$ halo surface brightness of GN-z11 to the profiles of Ly $\alpha$ halos around star-forming galaxies at z=5.0-6.0 (red shaded region Wisotzki et al., 2018 ) and quasars z=5.7-6.6 (yellow and orange shaded region Farina et al., 2019 ) . For the quasars from Fari