[논문 리뷰] The ultra-dense, interacting environment of a dual AGN at z $\sim$ 3.3 revealed by JWST/NIRSpec IFS

Michele Perna, Santiago Arribas외 19명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 13.

Astronomy and Astrophysical Research참고 문헌 17인용 수 7

한 줄 요약

본 연구는 JWST/NIRSpec IFS를 사용해 LBQS 0302−0019의 z~3.3에서 rest-frame 광학 방출을 해부하여 이중 AGN과 다수의 동반자 및 강력한 아웃플로우가 있는 밀집 환경을 드러냅니다.

ABSTRACT

LBQS 0302-0019 is a blue quasar (QSO) at z ~ 3.3, hosting powerful outflows, and residing in a complex environment consisting of an obscured AGN candidate, and multiple companions, all within 30 kpc in projection. We use JWST NIRSpec IFS observations to characterise the ionized gas in this complex system. We develop a procedure to correct for the spurious oscillations (or 'wiggles') in NIRSpec single-spaxel spectra, due to the spatial under-sampling of the point spread function. We perform a quasar-host decomposition with the QDeblend3D tools, and use multi-component kinematic decomposition of the optical emission line profiles to infer the physical properties of the emitting gas. The quasar-host decomposition allows us to identify i) a low-velocity component possibly tracing a warm rotating disk, with a dynamical mass Mdyn $\sim 10^{11}$ Msun and a rotation-to-random motion ratio $v_{rot}$/$σ_0 \sim 2$; ii) a spatially unresolved ionised outflow, with a velocity of $\sim$ 1000 km/s and an outflow mass rate of $\sim 10^4$ Msun/yr. We also detect eight interacting companion objects close to LBQS 0302-0019. Optical line ratios confirm the presence of a second, obscured AGN at $\sim 20$ kpc of the primary QSO; the dual AGN dominates the ionization state of the gas in the entire NIRSpec field-of-view. This work has unveiled with unprecedented detail the complex environment of this dual AGN, which includes nine interacting companions (five of which were previously unknown), all within 30 kpc of the QSO. Our results support a scenario where mergers can trigger dual AGN, and can be important drivers for rapid early SMBH growth.

연구 동기 및 목표

• LBQS 0302−0019 주변의 QSO 호스트, 가려진 AGN 동반자, 인근 은하들을 포함한 복잡한 환경을 특성화한다.
• rest-frame 광학 방출선으로부터 가스 운동학, 이온화 구조 및 아웃플로우 특성을 정량화한다.
• 시스템의 동역학 질량과 병합이 빠른 SMBH 성장을 유도한다는 증거를 평가한다.

제안 방법

• 대략 0.1 arcsec 공간 해상도 범위로 rest-frame 광학 선을 커버하는 JWST/NIRSpec IFS 데이터를 ~3″×3″ 영역에 취득한다.
• NIRSpec 데이터 큐브에서 샘플링이 부족한 spaxel의 wiggle 아티팩트 보정 기법을 개발한다.
• QSO–호스트 분해(QDeblend3D) 및 방출선의 다성분 운동학 적합을 수행한다.
• Balmer 계열 및 forbidden 선을 다중 가우시안 성분으로 모델링하여 BLR, NLR, 그리고 아웃플로우의 기여를 분리한다.
• 소멸 및 선형 비율을 신중히 고려하여 표준 단일에폭 바이리얼 관계를 사용해 동역학 질량과 블랙홀 질량을 추정한다.
• 가스 동역학과 이온화를 매핑하기 위해 통합 스펙트럼 및 공간적으로 해상된 스펙트럼을 구성하고 분석한다.

Figure 1: Original (top) and PSF-subtracted (bottom) images of the QSO LBQS 0302 $-$ 0019 and its close neighbouring galaxies as observed from space- and ground-based telescopes. In the left panels, we show the HST WFC3 near-infrared images from Husemann et al. ( 2021 ) , with contours in the bottom

실험 결과

연구 질문

• RQ1 rest-frame 광학 선에서 본 LBQS 0302−0019 시스템의 운동학적 구조와 이온화 구조는 어떤가?
• RQ2 가까이 있는 가려진 AGN 동반자에 대한 명확한 증거가 있으며, 그것이 QSO 호스트 및 인근 동반자들과 어떻게 상호 작용하는가?
• RQ3 호스트 및 동반 은하의 동역학 질량은 얼마이며, 이것이 병합 활동 및 SMBH 성장을 어떻게 시사하는가?
• RQ4 아웃플로우의 특성(속도, 질량 흐름)과 그것이 주변 ISM에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

측정	값
log(L_Hα/erg s−1)	45.45 ± 0.01
FWHM Hα [km s−1]	3650_{-60}^{+90}
σ_Hα [km s−1]	3260_{-120}^{+40}
M_BH(Hα) GH06 [M⊙]	2.28^{+0.06}_{-0.09} × 10^9
log(L_Hβ/erg s−1)	44.86 ± 0.02
FWHM Hβ [km s−1]	3560_{-120}^{+170}
σ_Hβ [km s−1]	2800_{-70}^{+120}
M_BH(Hβ) GH06 [M⊙]	1.99^{+0.20}_{-0.16} × 10^9
M_BH(Hβ) DB20, σ [M⊙]	1.82_{-0.11}^{+0.19} × 10^9
log(L_bol/erg s−1) DB20	47.22 ± 0.01
λ_Edd	0.9 ± 0.1
log(L_[OIII]/erg s−1)	45.71 ± 0.03
[OIII] W80 [km s−1]	1080 ± 30
[OIII] W90 [km s−1]	1600 ± 55
[OIII] V10 [km s−1]	−760 ± 50

• 저속 성분과 고속 성분의 식별; 저속 성분은 M_dyn ~ 1×10^11 M⊙이고 v_rot/σ0 ~ 2인 따뜻한 회전 디스크를 추적한다.
• 공간적으로 해상되지 않는 이온화된 아웃플로우가 속도 ~1000 km s−1 및 질량 유출률 ~10^4 M⊙ yr−1을 갖는다.
• 약 30 kpc 이내에 여덟 개의 동반 객체 탐지, 두 개는 규칙적인 속도장을 보이고 동역학 질량은 대략 1×10^10 M⊙.
• 주요 QSO로부터 약 20 kpc 떨어진 두 번째 가려진 AGN에 대한 증거, 이 이중 AGN이 NIRSpec 영역의 가스 이온화를 지배한다.
• QSO 환경은 호스트, 근접한 가려진 AGN, 그리고 서로 상호 작용하는 아홉 개의 동반자로 구성되어 있으며, 병합 주도 이중 AGN 트리거링과 빠른 SMBH 성장을 지지한다.

Figure 2: NIRSpec spectra obtained with internal (orange curve) and external (green) flux calibration and integrated over a region of $r=1.5$ ″. The two NIRSpec spectra are extracted from the drizzle cubes, with 0.05″spaxels. Vertical lines indicate the main emission line features detected in the NI