[논문 리뷰] UNCOVER spectroscopy confirms a surprising ubiquity of AGN in red galaxies at $z>5$

Jenny E. Greene, Ivo Labbé외 32명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 11.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 24

한 줄 요약

JWST UNCOVER 분광학은 컴팩트한 적색 z>5 소스의 큰 비율이 먼지에 의해 붉게 변한 AGN임을 밝히며, 넓은 H-알파 선이 활발한 블랙홀과 높은 암시 수밀도를 시사합니다.

ABSTRACT

JWST is revealing a new population of dust-reddened broad-line active galactic nuclei (AGN) at redshifts $z\gtrsim5$. Here we present deep NIRSpec/Prism spectroscopy from the Cycle 1 Treasury program UNCOVER of 15 AGN candidates selected to be compact, with red continua in the rest-frame optical but with blue slopes in the UV. From NIRCam photometry alone, they could have been dominated by dusty star formation or AGN. Here we show that the majority of the compact red sources in UNCOVER are dust-reddened AGN: $60\%$ show definitive evidence for broad-line H$α$ with FWHM$\, >2000$ km/s, for $20\%$ current data are inconclusive, and $20\%$ are brown dwarf stars. We propose an updated photometric criterion to select red $z>5$ AGN that excludes brown dwarfs and is expected to yield $>80\%$ AGN. Remarkably, among all $z_{ m phot}>5$ galaxies with F277W$-$F444W$>1$ in UNCOVER at least $33\%$ are AGN regardless of compactness, climbing to at least $80\%$ AGN for sources with F277W$-$F444W$>1.6$. The confirmed AGN have black hole masses of $10^7-10^9$ M$_{\odot}$. While their UV-luminosities ($-16>M_{ m UV}>-20$ AB mag) are low compared to UV-selected AGN at these epochs, consistent with percent-level scattered AGN light or low levels of unobscured star formation, the inferred bolometric luminosities are typical of $10^7-10^9$ M$_{\odot}$ black holes radiating at $\sim 10-40\%$ of Eddington. The number densities are surprisingly high at $\sim10^{-5}$ Mpc$^{-3}$ mag$^{-1}$, 100 times more common than the faintest UV-selected quasars, while accounting for $\sim1\%$ of the UV-selected galaxies. While their UV-faintness suggest they may not contribute strongly to reionization, their ubiquity poses challenges to models of black hole growth.

연구 동기 및 목표

• z>5에서 JWST의 적외선 능력을 이용해 블랙홀 성장 및 은하 공동진화의 동기를 부여한다.
• 광학적으로 빨간 연속을 선호하고 푸른 UV 경사를 가진 특정 색 기준으로 사진적 샘플에서 compact red z>5 소스가 AGN인지 먼지로 인해 형성된 은하인지 평가한다.
• 붉고 조밀한 z>5 소스 중 AGN 비율을 정량화하고 블랙홀 질량 및 연성 특성(적분률 포함)을 도출한다.
• z>5의 AGN를 선택하기 위한 광색상 컷의 효과를 평가하고 UV-선택 인구와의 비교를 수행한다.

제안 방법

• UNCOVER JWST 이미징(NIRCam)을 활용해 광색 연쇄(colors)이 빨간 광학 연속과 파란 UV 경사를 선호하는 특정 색 기준으로 compact red 소스를 선택한다.
• 17명의 AGN 후보에 대해 NIRSpec/PRISM 분광을 얻어 Broad Balmer 선(H-α) 및 기타 AGN 지표를 탐색한다.
• H-β, [O III], H-α, [N II]의 선형 복합체를 좁은 및 넓은 구성요소로 피팅해 Broad H-α(FWHM > 2000 km/s)를 식별한다.
• H-α의 폭과 광도를 이용해 블랙홀 질량을 추정하고, 렌즈링 모델로 디레드닝/디메그니피케이션한 값을 이용해 전체광도(bolometric luminosities)를 계산한다.
• 오염원(예: 갈색 왜성) 여부를 평가하고 Balmer 감소 및 연속 스펙트럼 경사를 사용해 차폐를 제약한다.
• 광색 AGN 선택 효율을 탐구하고 색상 컷(F277W−F444W)과 같은 변수에 따라 AGN 비율을 도출한다.

Figure 1: Left: The primary color-color selection used to select the compact red sources. We show the full sample of 40 compact red sources (open circles), the 17 clean targets (yellow) and the spectroscopically targeted sources (black dots are those observed with the MSA). Comparison of the photome

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NIRSpec/PRISM 분광에 의해 확인된 Broad-line AGN로 나타나는 compact red z>5 소스의 비율은 어느 정도인가?
• RQ2 이 AGN의 블랙홀 질량과 연성 특성(bolometric luminosities, Eddington 비율)은 어떠한가?
• RQ3 z>5에서 JWST 색상 및 형태 컷이 AGN 선정을 얼마나 효과적으로 수행하며, 색상 임계값에 따라 AGN 비율은 어떻게 변하는가?
• RQ4 빨간 z>5 소스에서 확인된 AGN와 UV-선택 AGN 인구를 광도 및 수밀도 측면에서 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 대상인 compact red 소스의 60%에서 명확한 Broad-line H-α( FWHM > 2000 km/s) 신호가 확인된다.
• 대상 중 20%는 결과가 불확실하고 20%는 갈색 왜성이다.
• F277W−F444W > 1인 zphot>5 은하들 중에서 최소 33%가 AGN이며, F277W−F444W > 1.6인 경우 최소 80%로 상승한다.
• 확인된 AGN의 블랙홀 질량은 10^7–10^9 태양질량 범위이다.
• UV 광도는 비교적 낮고(-16 > M_UV > -20 AB 등급), 그러나 전체광도는 약 Eddington의 10–40% 수준의 강도를 시사한다.
• AGN 수밀도는 약 10^-5 Mpc^-3 mag^-1 수준으로, UV-선정 퀘사들과 비교해 약 100배 낮고, UV-선정 은하의 약 1%를 차지한다.
• 이 빨간 z>5 AGN의 범용성은 초기 블랙홀 성장 및 은하와의 공동진화 모델에 도전이 된다.

Figure 2: Left: NIRSpec/PRISM spectra of the nine confirmed broad-line AGN in the sample. Spectra are plotted in the rest wavelength and have been normalized at 2500Å. Vertical lines indicate rest wavelengths of hydrogen lines (Ly $\alpha$ , H $\beta$ , H $\alpha$ ) in dashed, broad permitted metal