[논문 리뷰] Redshift Evolution of the Electron Density in the ISM at $z\sim 0-9$ Uncovered with JWST/NIRSpec Spectra and Line-Spread Function Determinations

Yuki Isobe, Masami Ouchi외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 17.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 7

한 줄 요약

본 논문은 14개의 JWST/NIRSpec 은하에서 [O II] 이중선으로부터 전자밀도 ne를 측정하고, z=4.02–8.68에서 ne ≳ 300 cm−3로 나타나며, 고정된 M*, SFR, sSFR에서의 저-z 은하들보다 훨씬 높음을 보이고, ne가 적색 편이에 따라 대략 ne ∝ (1+z)^p로 증가하는 것을 보이며 p ∼ 1–2.

ABSTRACT

We present electron densities $n_{ m e}$ in the inter-stellar medium (ISM) of star-forming galaxies at $z=4-9$ observed by the JWST/NIRSpec GLASS, ERO, and CEERS programs. We carefully evaluate line-spread functions of the NIRSpec instrument as a function of wavelength with the calibration data of a planetary nebula taken onboard, and obtain secure [OII]$λλ$3726,3729 doublet fluxes for 14 galaxies at $z=4.02-8.68$ falling on the star-formation main sequence with the NIRSpec high and medium resolution spectra. We thus derive the electron densities of singly-ionized oxygen nebulae with the standard $n_{ m e}$ indicator of [OII] doublet, and find that the electron densities of the $z=4-9$ galaxies are $n_{ m e}\gtrsim 300$ cm$^{-3}$ significantly higher than those of low-$z$ galaxies at a given stellar mass, star-formation rate (SFR), and specific SFR. Interestingly, typical electron densities of singly ionized nebulae increase from $z=0$ to $z=1-3$ and $z=4-9$, which is approximated by the evolutionary relation of $n_{ m e}\propto(1+z)^{p}$ with $p\sim 1-2$. Although it is not obvious that the ISM property of $n_{ m e}$ is influenced by global galaxy properties, these results may suggest that nebula densities of high-$z$ galaxies are generally high due to the compact morphologies of high-$z$ galaxies evolving by $r_{ m e}$ approximately proportional to $(1+z)^{-1}$ ($r_{ m vir} \propto (1+z)^{-1}$) for a given stellar (halo) mass whose inverse square corresponds to the $p\sim 2$ evolutionary relation. The $p\sim 1-2$ evolutionary relation can be explained by a combination of the compact morphology and the reduction of $n_{ m e}$ due to the high electron temperature of the high-$z$ metal poor nebulae.

연구 동기 및 목표

• ISМ 은하에서의 전자밀도가 z~0에서 z~9로 진화하는 이해를 동기화한다.
• JWST/NIRSpec 데이터에 대해 라인 확산 함수 결정으로 견고한 ne(O II) 측정을 제공한다.
• 높은 적색편도에서 ne가 전 세계 은하의 특성(별질량, SFR, sSFR)에 의존하는지 평가한다.
• ne의 적색편이 진화를 정량화하고 이를 저-z 경향과 비교하여 초기 시기의 ISM 조건을 해석한다.

제안 방법

• JWST/NIRSpec의 LSF를 행성상 성단에서 분리하여 [O II] 3726, 3729 이중선을 분리한다.
• Gaussian 프로파일을 LSF로 컨볼루션한 형태로 [O III] 5007(및 4959)의 내재 선 폭을 제약하여 σ_int를 측정한다.
• [O II] 3726, 3729와 LSF에 대해 세 개의 Gaussian을 적합시켜 분리된 [O II] 플럭스를 얻는다.
• [O II] 이중선 비를 PyNeb를 사용하여 전자밀도 ne로 변환하고, 가능하면 Te 값을 채택하고 그렇지 않으면 Te ≈ 15,000 K로 가정한다.
• 스펙트럼 오차에 대해 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하여 ne 불확실성을 추정한다.
• mock 스펙트럼 회복을 통한 R~1000 대 R~2700 데이터의 교차확인으로 ne 결정의 강건성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고-z의 별생성 은하에서 [O II] 이중선으로 추적된 전자밀도는 무엇인가?
• RQ2 z≈4–9에서의 ne 값은 z≈0–3의 유사한 질량 또는 별생성 은하와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 높은 적색편에서 ne가 별질량, SFR, 또는 sSFR에 유의한 의존성을 보이는가?
• RQ4 ne의 적색편이 진하는 경향은 무엇이며 ne ∝ (1+z)^p 로 설명될 수 있는가?
• RQ5 관찰된 ne 진화를 설명할 수 있는 물리적 요인(예: 형태, 온도)은 무엇인가?

주요 결과

• z=4.02–8.68의 14개 JWST 은하에서 ne ≳ 300 cm−3로 나타나 고정된 M*, SFR 및 sSFR에서의 저-z 은하들보다 높다.
• 중간값 ne 값이 z≈0에서 z≈1–3으로, 그리고 z≈4–9로 상승하며, 적색편에 의한 경향은 ne ∝ (1+z)^p로 근사되며 p ≈ 1–2이다.
• 고-z에서의 높은 ne는 금속저하성 성운에서 더 짧은 전자온도 및 컴팩트한 은하 형태에 기인할 수 있거나 이들의 조합으로 설명될 수 있다.
• 저-z 경향으로의 외삽과의 비교는 고-z NE 진화가 ne ∝ (1+z)와 ne ∝ (1+z)^2의 기대 사이에 위치함을 시사하며, p의 값이 약 1–2 범위임을 시사한다.
• 이 연구는 관측 도구의 라인 스프레드 효과를 주의 깊게 보정하고, 가능하면 Te 측정을 사용하여 ne를 제약한다.