[논문 리뷰] UNCOVERing the contribution of black holes to reionization in the JWST era

Pratika Dayal, Marta Volonteri외 14명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 20.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 10

한 줄 요약

본 연구는 Delphi 반분석 모델을 JWST/ALMA 데이터에 맞춰 보정하여 재전리화(Reionization) 동안 이온화 광자 예산을 정량화하며, 저질량 은하가 초기 시기에 우세하고 AGN은 말기에만 중요해진다는 결과를 보여준다.

ABSTRACT

With its sensitivity in the rest-frame optical, the James Webb Space Telescope (JWST) has uncovered active galactic nuclei (AGN), comprising both intrinsically faint and heavily reddened sources, well into the first billion years of the Universe, at $z \sim 4-11$. In this work, we revisit the AGN contribution to reionization given the high number densities associated with these objects. We use the DELPHI semi-analytic model, base-lined against the latest high-redshift datasets from the JWST and the Atacama Large millimetre Array (ALMA) to model early star forming galaxies and AGN. We calculate the escape fractions of ionizing radiation from both star formation and AGN and include the impact of reionization feeback in suppressing the baryonic content of low-mass galaxies in ionized regions. This model is validated against the key observables for star forming galaxy, AGN and reionization. In our {\it fiducial} model, reionization reaches its mid-point at $z \sim 6.9$ and ends by $z \sim 5.9$. Low stellar mass ($M_*\leq 10^9M_\odot$) star forming galaxies are found to be the key drivers of the reionization process, providing about $77\%$ of the total photon budget. Despite their high numbers, high accretion rates and higher escape fractions compared to star forming galaxies at $z \sim 5$, AGN only provide about $23\%$ of the total reionization budget which is dominated by black holes in high stellar mass systems (with $M_* \geq 10^9M_\odot$). This is because AGN number densities become relevant only at $z \leq 7$ - as a result, AGN contribute as much as galaxies as late as $z \sim 6.2$, when reionization is already in its end stages. Finally, we find that even contrasting models of the AGN ionizing photon escape fraction (increasing or decreasing with stellar mass) do not qualitatively change our results.

연구 동기 및 목표

• 우주 재전리화에서 별형성 은하와 AGN의 상대적 역할을 평가한다.
• JWST/ALMA의 고적역 은하 및 AGN 관측치에 대해 Delphi 반분석 모델을 보정한다.
• 이온화 광자 탈출 분수와 재전리화 피드백 효과를 계산한다.
• 모델을 UV 광도함수와 재전리 관찰치(τ_es, Q_II)와 대조하여 검증한다.
• 다른 AGN 탈출 분수 규정이 재전리화 역사에 미치는 영향을 탐구한다.

제안 방법

• 지금부터 z~40에서 z=4.5까지 어두운 중력렌즈를 추적하는 Delphi 반분석 모델을 사용한다.
• 블랙홀을 무게가 있는 시드(10^3–10^5 M_sun)로 시드하고 방출 효율 ε_r=0.1로 물질 흡수 및 합병을 통해 증가시키도록 한다.
• 효율적 BH 흡수를 위한 적색편이 의존 임계 질량을 산정하고 분산(0.5 dex)을 반영한다.
• 별의 운반즈 f_esc^sf를 UV 스lope β 및 금속-먼지 예산과 연결된 먼지 감소를 적용하고, AGN 탈출 분수 f_esc^bh는 먼지 감소 광학 깊이 τ_bh를 통해 모델링한다.
• 50 km/s 이하의 하위 질량형성 하목에서 이온화 배경 억제를 활용한 최대 UV 배경 시나리오로 재전리화 피드백을 포함한다.
• 열세그먼트와 AGN 기여를 합산하여 이온화 광자 발광도 dot{n}_ion을 계산하고 이를 Q_II 및 Q_I(중성 영역)로 가중한다.

Figure 1 : The rest-frame UV LF at $z\sim 5$ , $7$ and $10$ , as marked. In each panel, the long-dashed, dot-dashed and solid lines show the dust obscured UV LF for AGN, star formation and the “total” luminosity, as marked. In all panels, points show observational results as marked: at $z\sim 5$ (pa

실험 결과

연구 질문

• RQ1 재전리화 동안 이온화 광자 예산에 대한 별형성 은하와 AGN의 상대적 기여는 어느 정도인가?
• RQ2 적색편이(z~5–10) 및 은하 질량에 따른 먼지 감소와 탈출 분수가 이온화 광자의 탈출에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 JWST로 보정된 Delphi 모델이 z~5–10에서 관측된 UV LF와 재전리 관측치(τ_es, Q_II)를 재현하는가?
• RQ4 재전리 피드백이 저질량 하목의 바리온 내용물 및 후속 별형성/블랙홀 성장에 어떤 변화를 주는가?
• RQ5 다른 AGN 탈출 분수 규정이 재전리화의 시점과 지속에 어떤 영향을 주는가?

주요 결과

• 저질량의 별형성 은하(M_* < 10^9 M_sun)가 재전리화의 대다수를 주도하며 교정 모델에서 총 이온화 광자 예산의 약 77%를 기여한다.
• AGN은 재전리화 예산의 약 23%를 기여하며, z ≲ 7에서 대질량 은하(M_* ≳ 10^9 M_sun)의 블랙홀이 주도한다.
• AGN 수밀도는 오직 z ≲ 7에서 의미를 가지기 시작하고 AGN 기여는 재전리화의 말기에 정점에 달한다( z ~ 5.9–6.2 ).
• 다른 AGN f_esc^bh 규정(질량 의존적이거나 의존하지 않는 경우)에서도 결과는 변하지 않으며: 저질량 은하의 별이 재전리화를 주도하고 AGN은 주로 말기에 기여한다.
• 최대 f_esc^bh = 1 시나리오는 z ≲ 6에서 배출도 제약을 초과해 관측과 충돌하므로 비권장이다.
• 기준 모델은 재전리화의 중간점을 z ≈ 6.9로, 완료를 z ≈ 5.9로 하여 τ_es가 Planck 값과 일치한다.

Figure 2 : As a function of the stellar mass, we show the intrinsic production rate of ionizing photons ( left panel ) and their escape fractions ( right panel ) at $z\sim 5-10$ , as marked. In each panel, the solid and dashed lines show the results for star formation and black holes, respectively.