[논문 리뷰] JWST and ALMA Multiple-Line Study in and around a Galaxy at $z=8.496$: Optical to FIR Line Ratios and the Onset of an Outflow Promoting Ionizing Photon Escape

Seiji Fujimoto, Masami Ouchi외 34명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 13.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 제임스 웹 우주望遠鏡(JWST)와 ALMA를 사용하여 적색이동 z=8.496인 고적색이동 은하의 다중 파장 분석을 수행하며, 가시광선에서 적외선까지의 선비율을 측정하고 이온화 광자 탈출을 촉진하는 새로운 형성 중인 난류를 규명하였다. 연구 결과는 밀도가 높고-dust이 풍부하며 활발히 별이 형성되는 시스템임을 드러내며, [C II] 빛의 부족과 낮은 금속성, 난류가 있는 간성간매질(ISM)이 이온화 복사의 탈출을 촉진함을 시사한다.

ABSTRACT

We present ALMA deep spectroscopy for a lensed galaxy at $z_{ m spec}=8.496$ with $\log(M_{ m star}/M_{\odot})\sim7.8$ whose optical nebular lines and stellar continuum are detected by JWST/NIRSpec and NIRCam Early Release Observations in SMACS0723. Our ALMA spectrum shows [OIII]88$μ$m and [CII]158$μ$m line detections at $4.0σ$ and $4.5σ$, respectively. The redshift and position of the [OIII] line coincide with those of the JWST source, while the [CII] line is blue-shifted by 90 km s$^{-1}$ with a spatial offset of $0.''5$ ($\approx0.5$ kpc in source plane) from the JWST source. The NIRCam F444W image, including [OIII]$λ$5007 and H$β$ line emission, spatially extends beyond the stellar components by a factor of $>8$. This indicates that the $z=8.5$ galaxy has already experienced strong outflows whose oxygen and carbon produce the extended [OIII]$λ$5007 and the offset [CII] emission, which would promote ionizing photon escape and facilitate reionization. With careful slit-loss corrections and removals of emission spatially outside the galaxy, we evaluate the [OIII]88$μ$m/$λ$5007 line ratio, and derive the electron density $n_{ m e}$ by photoionization modeling to be $220^{+170}_{-100}$ cm$^{-3}$, which is comparable with those of $z\sim2-3$ galaxies. We estimate an [OIII]88$μ$m/[CII]158$μ$m line ratio in the galaxy of $>4$, as high as those of known $z\sim6-9$ galaxies. This high [OIII]88$μ$m/[CII]158$μ$m line ratio is generally explained by the high $n_{ m e}$ as well as the low metallicity ($Z_{ m gas}/Z_{\odot}=0.04^{+0.02}_{-0.02}$), high ionization parameter ($\log U > -2.27$), and low carbon-to-oxygen abundance ratio ($\log$(C/O) $=[-0.52:-0.24]$) obtained from the JWST/NIRSpec data; further [CII] follow-up observations will constrain the covering fraction of photodissociation regions.

연구 동기 및 목표

• 고적색이동 z=8.496 은하의 물리적 조건과 이온화 상태를 조사하여 초기 은하 진화를 이해한다.
• 가시광선에서 적외선까지의 선비율을 측정하여 간성간매질(ISM) 조건과 먼지 감쇠를 탐구한다.
• 은하 난류가 고적색이동 은하에서 이온화 광자가 어떻게 탈출하는지의 역할을 평가한다.
• 다중 파장 광도 및 스펙트럼을 사용하여 은하의 공간적 구조와 SED를 특성화한다.
• CIGALE를 사용한 SED 피팅을 통해 별 형성 역사를, 먼지 성질과 금속성을 결정한다.

제안 방법

• ALMA를 사용하여 z=8.496 은하에서 [C II] 158 μm, [O III] 88 μm 및 기타 적외선 영역의 선을 탐지하기 위한 깊은 스펙트럼 측정을 수행한다.
• JWST/NIRCam 및 MIRI 영상 데이터를 활용하여 SED 피팅을 위한 복귀 우주에서의 UV에서 중간 적외선까지의 광도를 확보한다.
• 지연된 별 형성 역사를 가진 모델, SMC 흡수 곡선을 사용한 먼지 감쇠, Casey(2012)의 먼지 방출 모델을 사용하여 CIGALE를 이용한 SED 피팅을 수행한다.
• ALMA 선 지도에 대해 CASA imfit, NIRCam 영상에 대해 galfit를 사용하여 공간 모델링을 수행하여 소스 크기와 해상도 있는 형태를 측정한다.
• 렌즈 효과를 보정하기 위해 렌즈 모델을 사용하여 진정한 광도와 물리적 성질을 유도한다.
• SED 피팅에서 먼지 온도(30–90 K), 방출 지수(β=1.8), 중간 적외선 기울기(α=2.0) 등의 핵심 매개변수를 고정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z=8.496 은하에서 가시광선과 적외선 방출선 간의 선비율은 어떻게 되며, 이는 간성간매질(ISM) 조건을 어떻게 드러내는가?
• RQ2 이 고적색이동 은하에서 얼마나 많은 이온화 복사가 탈출하고 있으며, 어떤 메커니즘이 이를 촉진하는가?
• RQ3 [C II], [O III], 그리고 복귀 우주에서의 UV/광학 연속선의 공간 형태는 어떻게 비교되며, 이는 간성간매질 구조에 대해 어떤 시사점을 갖는가?
• RQ4 SED 피팅을 통해 z=8.496 은하의 별 형성 역사, 먼지 함량, 금속성은 어떻게 되는가?
• RQ5 은하 난류의 증거가 있으며, 이는 관측된 [C II] 빛의 부족과 이온화 광자 탈출과 어떻게 관련되어 있는가?

주요 결과

• 은하는 뚜렷한 [C II] 빛의 부족을 보이며, [C II]/FIR 광도 비율이 일반적인 국지적 값 이하로 나타나, 극도로 이온화되거나 난류가 있는 간성간매질(ISM)임을 시사한다.
• ALMA는 [O III] 88 μm 방출선을 탐지하여, 젊고 질량이 큰 별 집단과 일치하는 강력하고 밀도 높은 이온화 원천의 존재를 확인한다.
• ALMA 해상도에서 [C II] 선은 해상도가 높아 해상도가 떨어지지 않아, 밀도 높은 방출 또는 강한 빔 스메어링을 나타내며, 이는 난류 기체에 기인할 수 있다.
• SED 피팅 결과, 높은 먼지 온도(T_d ≈ 50–70 K), 낮은 금속성(Z ≈ 0.0004–0.004), 최근의 별 형성 폭발(f_burst ≈ 0.1–0.25)이 확인되어 젊고 먼지가 많은 시스템임을 지지한다.
• 최적의 피팅 모델은 복귀 우주에서 UV에서 반조도 반경 약 0.5–1.0 kpc의 밀집된 소스를 보이며, 이는 밀집된 별 형성 영역과 일치한다.
• 관측된 [C II] 빛의 부족과 밀집된 형태는 낮은 금속성, 난류가 있는 간성간매질이 이온화 광자 탈출을 촉진함을 시사하며, 이는 난류가 재이온화 과정에서 중요한 역할을 한다는 것을 뒷받침한다.