[논문 리뷰] JADES: Discovery of extremely high equivalent width Lyman-alpha emission from a faint galaxy within an ionized bubble at z=7.3

Aayush Saxena, Brant Robertson외 44명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 24.

Advanced Optical Sensing Technologies참고 문헌 12인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 아주 약한 Lyα를 방출하는 z=7.278 은하를 발견하고 특성화했으며, 매우 높은 rest-frame Lyα EW와 거의 시스템의 속도에서의 흐름으로 인해 낮은 콜럼밀도 채널을 통한 탈출과 확장된 이온화 거품의 존재를 시사한다.

ABSTRACT

We report the discovery of a remarkable Ly$α$ emitting galaxy at z = 7.2782, JADES-GS-z7-LA, with EW$_0$(Ly$α$) $= 388.0 \pm 88.8$Åand UV magnitude -17.0. The spectroscopic redshift is confirmed via rest-frame optical lines [O II], H$β$ and [O III] in its JWST/NIRSpec Micro-Shutter Assembly (MSA) spectrum. The Ly$α$ line is detected in both lower resolution PRISM as well as medium resolution G140M grating spectra. The LSF-deconvolved Ly$α$ FWHM in the grating is $383.9 \pm 56.2$ km/s and the Ly$α$ velocity offset compared to the systemic redshift is $113.3 \pm 80.0$ km/s, indicative of very little neutral gas or dust within the galaxy. We estimate the Ly$α$ escape fraction to be >70%. JADES-GS-z7-LA has a O32 ratio of $11.1 \pm 2.2$ and a R23 ratio of $11.2 \pm 2.6$, consistent with low metallicity and high ionization parameters. Deep NIRCam imaging also revealed a close companion source (separated by 0.23"), which exhibits similar photometry to that of JADES-GS-z7-LA, with a photometric excess in the F410M NIRCam image consistent with [O III]+H$β$ emission at the same redshift. The spectral energy distribution of JADES-GS-z7-LA indicates a "bursty" star formation history, with a low stellar mass of $\approx 10^7$ $M_\odot$. Assuming that the Ly$α$ transmission through the intergalactic medium is the same as its measured escape fraction, an ionized region of size > 1.5 pMpc is needed to explain the high Ly$α$ EW and low velocity offset compared to systemic seen in JADES-GS-z7-LA. Owing to its UV-faintness, we show that it is incapable of single-handedly ionizing a region large enough to explain its Ly$α$ emission. Therefore, we suggest that JADES-GS-z7-LA (and possibly the companion source) may be a part of a larger overdensity, presenting direct evidence of overlapping ionized bubbles at $z>7$.

연구 동기 및 목표

• z>7 Lyα-방출 은하에서의 은하간 물질(ISM) 조건과 이온화 상태를 조사한다.
• Lyα의 탈출 경로를 제약하고 LyC 탈출 및 재전리화(Reionization)와의 시사점을 제시한다.
• Lyα 전파와 인근 구조를 통해 주변 IGM의 이온화 상태를 특징지운다.

제안 방법

• JWST NIRSpec 분광법(PRISM 및 G140M)을 사용하여 Lyα 및 rest-frame 광학선들을 탐지하고; [O III] 5007, 4959, Hβ로 시스템적 적색편이를 도출한다.
• NIRCam 이미징으로 rest-optical/UV 광측정을 얻고 근접 동반 천체를 분리한다.
• 발산선에 Gaussian 피팅을 수행하여 플럭스와 EW를 측정하고; PRISM 데이터에서 O32, R23 등의 선 비를 추정한다.
• PRISM 연속체와 NIRCam 광도측정으로 UV 등급과 기울기를 추정한다.
• 케이스 B 재결합 가정과 금속성 고려를 포함하여 Hα로 SFR을 추정한다.
• 다중 대역 광측정으로 SED를 모델링하여 질량, 금속성 및 별 형성 이력을 제약한다.

Figure 1: NIRSpec PRISM (R100) spectrum of JADES-GS-z7-LA at $z=7.278$ , showing both 1D and 2D spectra. The error spectrum has been shown as the orange-shaded region. We additionally show zoom-ins around the Ly \textalpha line (top left) and the H \textbeta , [O iii ] $\lambda 4959$ and [O iii ] $\

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z>7에서 UV-약한 Lyα 방출체의 ISM 조건과 이온화 매개변수는 무엇인가?
• RQ2 높은 EW와 거의 시스템 속도 오프셋을 가진 은하에서 Lyα 방출이 어떻게 탈출하는가?
• RQ3 z~7.3에서 Lyα 전파는 주변 IGM 및 이온화된 거품의 크기에 대해 무엇을 시사하는가?
• RQ4 Lyα 가시성에 기여하는 인접 이온화 영역이나 과밀도에 대한 증거가 있는가?

주요 결과

매개변수	측정값
z_sys	7.2782± 0.0003
z_Lyα	7.2822± 0.0004
F([O ii] 3727) ×10^-20 erg s^-1 cm^-2	5.4±1.4
F(Hβ) ×10^-20 erg s^-1 cm^-2	7.9±2.2
F([O iii] 4959) ×10^-20 erg s^-1 cm^-2	23.1±6.0
F([O iii] 5007) ×10^-20 erg s^-1 cm^-2	59.9±4.0
EW0([O ii] 3727)	69.9±14.4
EW0(Hβ)	113.0±23.1
EW0([O iii] 4959)	330.3±62.9
EW0([O iii] 5007)	854.8±58.0
F(Lyα) (R1000) ×10^-20 erg s^-1 cm^-2	229.2±25.9
F(Hβ) (R1000) ×10^-20 erg s^-1 cm^-2	14.3±5.9
F([O iii] 5007) (R1000) ×10^-20 erg s^-1 cm^-2	64.6±6.2
EW0(Lyα)	388.0±88.8
EW0(Hβ) (R1000)	204.9±62.5
EW0([O iii] 5007)	1028.1±165.5

• Lyα 파사드가 zLyα = 7.2822로 탐지되었고, 시스템적 적색편 z_sys = 7.2782±0.0003은 [O III] 선에서 얻었다.
• Lyα rest-frame EW는 388.0±88.8 Å(R1000), 선의 FWHM은 기저효과 제거 후 383.9±56.2 km/s이고 속도 차 Δv = 113.3±80.0 km/s.
• Lyα 플럭스 F(Lyα) = 229.2±25.9 ×10^-20 erg s^-1 cm^-2; 연속체가 약해 M_UV ≈ -17.05 및 UV 기울기 β ≈ -2.06±0.14를 얻었다.
• O32 = 11.1±2.2, R23 = 11.2±2.6, R3 = 7.6±1.5로, ISM의 낮은 금속함량과 높은 이온화 매개변수와 일치한다.
• 강한 [O III] 5007이 rest-optical 스펙트럼을 지배하며 EW0([O III] 5007) = 1028.1±165.5 Å 및 EW0([O III] 4959) = 330.3±62.9 Å.
• 유사적색편에서의 근거리 동반 천체 존재로 과밀한 환경과 겹치는 이온화 거품 가능성을 시사한다.

Figure 2: Robust detection of the [O iii ] $\lambda 5007$ emission line in the $R\sim 1000$ G395M grating spectrum, which was used to derive an accurate systemic redshift of $z=7.2782\pm 0.0003$ . This redshift is consistent with the weaker detections of the [O iii ] $\lambda 4959$ and H \textbeta l