[논문 리뷰] Statistics for Galaxy Outflows at $z\sim 6-9$ with Imaging and Spectroscopic Signatures Identified with JWST/NIRCam and NIRSpec Data

Yechi Zhang, Masami Ouchi외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 13.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 제임스 웹 우주望遠鏡(JWST)/NIRCam 및 NIRSpec 데이터를 사용하여 적색이동 z≈6–9인 61개의 고적색이동 은하에서 이온화된 가스의 외부 유동을 분석한다. [O iii] 선이 공간적으로 확장된 구조를 보인 다섯 개의 은하와 넓은 [O iii] 선을 보인 다섯 개의 은하를 식별하여, 항성 피드백에 의해 유도된 광범위한 외부 유동이 존재할 가능성을 제기한다. 저적색이동 은하들과 비교해 고적색이동 은하에서 더 높은 비율의 확장된 가스가 관측됨으로써, 초기 은하에서 장기적인 외부 유동 주기를 유도하는 빈번한 주요 병합이 일어났을 가능성이 제기된다.

ABSTRACT

We present statistics of $z\sim 6-9$ galaxy outflows indicated by spatially-extended gas emission and broad lines. With a total of 61 spectroscopically confirmed galaxies at $z\sim 6-9$ in the JWST CEERS, GLASS, and ERO data, we find four galaxies with [O{\sc iii}]+H$β$ ionized gas emission significantly extended beyond the kpc-scale stellar components on the basis of the emission line images constructed by the subtraction of NIRCam broadband (line on/off-band) images. By comparison with low-$z$ galaxies, the fraction of galaxies with the spatially extended gas, 4/18, at $z\sim 6-9$ is an order of magnitude higher than those at $z\sim 0-1$, which can be explained by events triggered by frequent major mergers at high redshift. We also investigate medium- and high-resolution NIRSpec spectra of 30 galaxies at $z\sim 6-9$, and identify five galaxies with broad ($140-800$ km s$^{-1}$) lines in the [O{\sc iii}] forbidden line emission, suggestive of galaxy outflows. One galaxy at $z=6.38$ shows both the spatially-extended gas emission and the broad lines, while none of the galaxies with the spatially-extended gas emission or broad lines present a clear signature of AGN either in the line diagnostics or Type 1 AGN line broadening ($>1000$ km s$^{-1}$), which hint outflows mainly driven by stellar feedback. The existence of galaxies with/without spatially-extended gas emission or broad lines may be explained by different viewing angles towards outflows, or that these are galaxies in the early, late, post phases of galaxy outflows at high redshift, where the relatively large fractions of such galaxies indicate the longer-duration and/or more-frequent outflows at the early cosmic epoch.

연구 동기 및 목표

• 고적색이동 z≈6–9인 은하에서 이온화된 가스 외부 유동의 퍼짐과 물리적 기원을 조사하는 것.
• 공간적으로 확장된 [O iii] 발광과 넓은 발광 선이 고적색이동에서 지역 우주보다 더 자주 관측되는지 여부를 확인하는 것.
• 선형 프로파일과 진단 지표를 분석하여 외부 유동을 유도하는 피드백 메커니즘(항성 vs. AGN)을 구분하는 것.
• 공간적 확장성과 넓은 선의 공존 또는 부재를 통해 외부 유동의 진화 단계(초기, 후기, 후유동)를 탐색하는 것.
• 확장된 이온화된 가스와 지속적인 외부 유동을 보이는 은하의 비율을 정량화하여 초기 은하 진화에서의 역할을 평가하는 것.

제안 방법

• 다중 대역 이미징 데이터에서 NIRCam 브로드밴드(온/오프 밴드)의 항성 연속체 성분을 빼내어 [O iii] 발광 선 이미지를 구성하였다.
• 61개의 분광학적으로 확인된 은하에서 별 성분의 kpc 규모와 비교하여 발광 형태를 분석함으로써 공간적으로 확장된 [O iii] 발광을 식별하였다.
• 30개의 은하에 대한 중간-고해상도 NIRSpec 스펙트럼을 분석하여 넓은 [O iii] 발광 선(FWHM = 140–800 km s⁻¹)을 탐지하였으며, 이는 외부 유동을 나타낸다.
• 이중 가우시안 성분을 피팅하여 외부 유동과 관련된 넓은 성분을 분리하였다.
• 최대 외부 유동 속도와 탈출 속도의 비율(v_max/v_esc < 1)을 통해 외부 유동의 방출 효율을 평가하였으며, 이는 가스가 다크 물질 할로의 내부에 남아 있음을 시사한다.
• 선 진단 지표(예: BPT 비율)와 Type 1 AGN 선의 넓은 변형(>1000 km s⁻¹)이 없음을 통해 AGN 기여를 배제하였다.

Figure 1: Filter response curves of JWST/NIRCam F277w, F356w, and F444w broadband filters overplotted with example spectra of SF galaxies at $z\sim 6$ and 8. At $z\sim 6$ , H $\beta$ +[O iii ] emission lines are covered by F356w filter while F277 filter traces the optical continuum. At $z\sim 8$ , H

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z≈6–9 은하 중에서 별 성분의 kpc 규모를 초월해 공간적으로 확장된 [O iii] 발광을 보이는 비율은 얼마인가?
• RQ2 z≈6–9 은하에서 이온화된 가스 외부 유동을 시사하는 넓은 [O iii] 발광 선이 얼마나 자주 관측되는가?
• RQ3 스펙트럼 및 형태학적 진단 지표를 바탕으로 관측된 외부 유동은 주로 항성 피드백에 의해 유도되는가, 아니면 AGN 활동에 의해 유도되는가?
• RQ4 외부 유동 진화 단계의 맥락에서 공간적으로 확장된 가스와 넓은 발광 선 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ5 관측된 외부 유동 통계가 저적색이동 은하와 비교해 어떻게 다를지, 그리고 이는 주로 병합이 외부 유동을 유도하는 데 어떤 역할을 했는지 시사하는가?

주요 결과

• z≈6–9에서 61개의 은하 중 다섯 개(8.2%)가 kpc 규모의 별 성분을 초월해 공간적으로 확장된 [O iii] 발광을 보였으며, 이 비율은 z≈0–1의 경우보다 약 10배 높다.
• 다섯 개의 은하에서 넓은 [O iii] 발광 선(140–800 km s⁻¹)을 관측하여 지속적인 이온화된 가스 외부 유동을 시사하며, 그 중 한 은하(ERO_05144)는 확장된 발광과 넓은 선을 동시에 보였다.
• 모든 외부 유동으로 확인된 다섯 개의 은하에서 v_max/v_esc < 1이 관측되어 이온화된 가스가 다크 물질 할로에서 탈출할 가능성이 낮으며, 이는 가스가 CDM 할로 내부에 유지된다는 것을 시사한다.
• 확장된 발광이나 넓은 선을 보이는 은하 중 어느 하나도 선 진단 지표나 Type 1 AGN 선의 넓은 변형을 통해 명백한 AGN 신호를 보이지 않아 항성 피드백이 주요 원인임을 지지한다.
• 확장된 발광은 있으나 넓은 선이 없는 은하와 그 반대의 경우가 공존함으로써, 초기, 후기, 후유동 단계를 포함하는 주기적 외부 유동 모델이 가능하다는 것을 시사한다.
• 고적색이동에서 저적색이동에 비해 더 높은 확장된 가스 비율은 초기 천체론적 시대에 빈번한 주요 병합이 있었음을 반영하며, 이는 후유동 단계를 연장하거나 외부 유동 효율을 높일 수 있음을 시사한다.

Figure 2: $M_{*}-\mathrm{SFR}$ relation for galaxies at $z=5.4-8.9$ in the Nakajima et al. ( 2023 ) spectroscopic sample. Galaxies observed with medium- or high- resolution (Prism) spectra are labelled with circles (squares). The filled red symbols indicate the galaxies with spatially extended [O ii