[논문 리뷰] Star Formation Shut Down by Multiphase Gas Outflow in a Galaxy at a Redshift of 2.45

Sirio Belli, Minjung Park외 16명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 10.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 76인용 수 8

한 줄 요약

본 연구는 JWST/NIRSpec를 사용하여 z=2.445에서 진화 중인 은하의 거대 다상 가스 아웃플로를 탐지하고, 별 형성을 억제할 수 있는 지배적 중성 아웃플로와 AGN 구동 아웃플로의 증거를 발견했다.

ABSTRACT

Large-scale outflows driven by supermassive black holes are thought to play a fundamental role in suppressing star formation in massive galaxies. However, direct observational evidence for this hypothesis is still lacking, particularly in the young universe where star formation quenching is remarkably rapid, thus requiring effective removal of gas as opposed to slow gas heating. While outflows of ionized gas are commonly detected in massive distant galaxies, the amount of ejected mass is too small to be able to suppress star formation. Gas ejection is expected to be more efficient in the neutral and molecular phases, but at high redshift these have only been observed in starbursts and quasars. Here we report JWST spectroscopy of a massive galaxy experiencing rapid quenching at redshift z=2.445. We detect a weak outflow of ionized gas and a powerful outflow of neutral gas, with a mass outflow rate that is sufficient to quench the star formation. Neither X-ray or radio activity are detected; however, the presence of a supermassive black hole is suggested by the properties of the ionized gas emission lines. We thus conclude that supermassive black holes are able to rapidly suppress star formation in massive galaxies by efficiently ejecting neutral gas.

연구 동기 및 목표

• 우주 초기의 거대 은하에서 빠른 quenching이 어떻게 일어나는지 이해를 촉진한다(대략 z ~ 2–3).
• 아웃플로의 속성(질량, 속도, 상)을 정량화하고 남은 별 형성과의 관계를 비교한다.
• AGN 활동이 가스 분출을 통해 관측된 quenching을 유도할 수 있는지 평가한다.
• 고적대 은하 진화 및 고적대에서의 quenching 메커니즘에 대한 시사점을 도출한다.

제안 방법

• COSMOS-11142의 심층 JWST/NIRSpec 분광 관측을 Blue Jay SURVEY의 일부로 확보한다(z=2.445, log M*/M_sun = 10.9).
• Prospector를 이용해 분광 데이터와 다밴드 광 photometry에 대한 항성 집단 모델을 맞춰 별 형성 이력과 먼지 특성을 도출한다.
• 가스의 중성 및 이온화 상태를 포함한 발광선과 흡수선의 Gaussian 피팅으로 선 플럭스, 너비, 속도 편위 등을 측정한다.
• 선 발광계수와 표준 아웃플로 모델을 사용해 중성 및 이온화 단계의 M_out, v_out를 추정하고, M_out ∝ L/(n_e j) 및 dotM_out = M_out v_out / R_out를 이용해 계산한다.
• 공간적으로 해상된 [O III] 방출로부터 R_out를 추정해 질량 유출률을 계산하고, 투영 효과를 고려한다.
• 선 기반의 아웃플로 추정치를 별 형성률과 결합해 quenching에 대한 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z ~ 2.4에서 빠르게 quenching 중인 거대 은하의 중성 및 이온화 가스에서의 방출의 질량과 속도는 어떠한가?
• RQ2 관측된 아웃플로가 은하의 별 형성 억제를 유발할 수 있으며, 이것이 고적대에서의 AGN 피드백에 대해 무엇을 시사하는가?
• RQ3 측정된 아웃플로는 은하의 현재 별 형성률 및 별 형성 이력과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 먼지, 금속성, 가스 상(중성 vs 이온화)이 아웃플로의 형성 및 탐지 가능성에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 아웃플로는 다상이며, substantial한 중성 가스(Ca II K 및 Na I D)와 이온화 가스를 모두 탐지했고, 중성 아웃플로가 질량 예산을 주도한다.
• [O III]에서 최대 약 1700 km/s의 아웃플로 속도에 도달하며, 다른 선들은 아웃플로의 다가오는 면을 나타내는 블루시프트를 보인다.
• 이온화 선으로부터 추정된 Outflow 질량(M_out)은 대략 30% 이내로 일치하며, 중성 아웃플로가 강한 M_out를 보여 약 100 M_sun/yr의 질량 유출률(중성)과 약 1 M_sun/yr(이온화)을 허용한다.
• 중성 아웃플로율이 현재의 별 형성률(SFR ~ 1–10 M_sun/yr, Prospector가 가장 젊은 밴드에서 약 3 M_sun/yr로 피팅)이 크게 초과하여 별 형성을 억제할 수 있는 효율적인 가스 방출을 시사한다.
• AG가 아웃플로를 구동하고 있을 가능성이 있다(높은 [N II]/Hα 및 [O III]/Hβ 선 비). X-선/라디오 검출은 없다.
• COSMOS-11142는 z=2.445에서 컴팩트한 포스트-스타버스트 은하이며, 현재 빠르게 quenching 중이며, 대부분의 별 질량이 약 300 Myr 전의 버스트에서 형성되었다는 별 형성 이력을 보인다.