[논문 리뷰] Undermassive Host Galaxies of Five z~6 Luminous Quasars Detected with JWST

Meredith A. Stone, Jianwei Lyu외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 27.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 8

한 줄 요약

연구는 JWST/NIRCam 및 NIRSpec을 사용하여 다섯 개의 고적주(quasar)에서 PSF-서브트랙션으로 광원을 제거하고 호스트 은하 질량 한계와 블랙홀 질량을 도출하며, 로컬 관계에 비해 호스트에 비해 SMBH이 과대 질량화를 나타내고 상당한 산포를 보임을 발견한다.

ABSTRACT

We measure host galaxy stellar masses for a sample of five luminous quasars at $z\sim5-7$. Using JWST/NIRCam medium-band images of nearby PSF reference stars, we carefully subtract the contribution from the quasar light to place upper and lower limits on the flux of each host galaxy. We find that the members of our sample of quasar host galaxies have masses of $10^{9.7} - 10^{10.8} M_{\odot}$, significantly less than expected from their SMBH masses and the local \magorrian relation. We additionally obtain JWST/NIRSpec IFU spectra of three of our quasars to calculate black hole masses, which we find are consistent with those in the literature, and to search for the presence of a bright but compact galaxy via a Balmer break, which we do not find evidence for. We discuss the potential effects of dust extinction on our measured fluxes and the impact of selection effects on high-redshift quasar samples. We conclude that the masses of the SMBHs relative to the host galaxy stellar masses have a much larger scatter than locally, large enough that these selection effects cannot be responsible. The result is reinforced by other studies. Finally, we explore the potential implications of these results on the picture of SMBH-galaxy coeval growth in the early Universe.

연구 동기 및 목표

• JWST 이미징 및 분광학을 사용하여 다섯 개의 밝은 z~5-7 퀘이사의 호스트 은하의 별 질량을 조사한다.
• 고-z 퀘이사 호스트가 로컬의 M_BH–M_* 관계를 따르는지 아니면 편차가 있는지 평가한다.
• 방출선으로부터 흑구 질량을 측정하고 Balmer-break 특성을 제약하여 호스트 특성을 평가한다.
• 고적주 퀘이사 호스트 연구에서의 잠재적 편향과 선택 효과를 평가한다.
• 초기 우주에서 SMBH-은하 동시진화를 논의한다.

제안 방법

• PSF 서브트랙션을 위한 다중 중간대역 필터(F210M, F360M, F410M, F430M, F480M)와 인근 PSF 기준 별을 이용한 JWST/NIRCam 이미징을 획득한다.
• 참조 항성 PSF를 각 퀘이사 이미지에 맞춰 차감하여 확장된 호스트-은하 방사를 탐색한다.
• oversubtraction을 피하기 위해 0.4 arcsec 구 구역에서 호스트 은하 플럭스 추정 및 PSF 정규화와 Sérsic 프로필 피팅을 통해 상한값을 도출한다.
• rest-frame ~3.6 μm 플럭스(IRAC Band 1)와 z~6에서의 M_* 간의 경험적 관계를 이용해 아주 어린 스타 형성 집단(<10 Myr)을 제외하고 호스트 질량을 보정한다.
• 세 개의 퀘이사에 대해 NIRSpec IFU 데이터를 사용하여 Hβ 및 Hα 기반의 흑구 질량을 측정하고 Balmer-break 신호를 탐색하며 표준 virial 질량 보정을 적용한다(예: Vestergaard & Peterson 2006).
• 먼지 효과와 선택 편향이 광도와 질량 추정에 미칠 수 있는 영향을 논의한다.

Figure 1: The normalized quasar and PSF star radial profiles. The quasars (columns) are shown in order of increasing redshift left to right, with the filter labeled. The quasar profile is shown as a blue solid line, and the radial profile of its corresponding PSF star, with the best-fit scaling to m

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다섯 개의 z~5-7 밝은 퀘이사의 호스트 은하 질량이 로컬의 M_BH–M_* 관계와 일치하는가, 아니면 과소질량인가?
• RQ2 Hβ 및 Hα로 유도된 이 퀘이사들의 블랙홀 질량은 어떠하며, 이전 측정값과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 NIRSpec 데이터에서 Balmer-break 특징으로 밝고 컴팩트한 호스트 은하의 존재가 나타나는가?
• RQ4 고적주에서 SMBH–호스트 공동진화 해석에 영향을 미칠 수 있는 편향이나 선택 효과는 무엇인가?

주요 결과

• 호스트 은하 질량 상한은 log(M_*/M_sun) ≈ 9.7–10.8 범위에 있으며, 로컬의 M_BH–M_* 관계에서 기대되는 값에 비해 SMBH 질량이 큰 경우 상당한 차이를 보인다.
• 세 개의 퀘이사에서 Hβ/Hα로부터 얻은 SMBH 질량은 문헌값과 일치하며, 예를 들어 두 대상의 경우 log(M_BH/M_sun) ≈ 9.3–9.4이고 한 고-z 원천의 경우 하한값 >8.5이다.
• PSF-서브트랙션으로 대부분의 경우 확장된 호스트 방사의 명확한 탐지는 나타나지 않았으며, 오직 J2239+0207에서만 F360M 및 F480M에서 탐지 가능성이 보인다.
• NIRSpec 스펙트럼의 Balmer-break 탐색은 밝고 컴팩트한 호스트 은하에 대한 강력한 증거를 제시하지 못하며 최적의 Balmer-break 적합값은 통계적으로 유의하지 않다.
• dust extinction과 선택 편향을 고려했으며 z~6에서의 M_BH에 대한 분산은 크며, 이는 실제 진화나 로컬 관계에 비해 증가된 산포를 시사하며 편향만은 아니다.
• 다른 JWST 연구와 일치하는 결과로, 고-z SMBH는 호스트에 비해 과대했습니다는 경향을 보이며 산포가 큽니다.

Figure 2: Our five observed quasars after subtraction of their stellar PSFs, normalized by the total (Poissonian + pixel) error budget. Each quasar (columns) is imaged in two or three bands between observed-frame 2.1 and 4.8 $\mu$ m (rows). The 0.4″radius aperture used to extract galaxy fluxes and u