[论文解读] Early results from GLASS-JWST. XIV: A spectroscopically confirmed protocluster 650 million years after the Big Bang

Takahiro Morishita, Guido Roberts-Borsani+40 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2022

Astronomy and Astrophysical Research被引用 7

一句话总结

利用詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）近红外光谱仪（NIRSpec），本研究在大爆炸后6.5亿年（红移z=7.88）的爱德华·阿贝尔2744星系场中，光谱学确认了一个原星系团，其在60千秒差距内识别出七个星系。该系统表现出24倍的星系过密度，速度 dispersion 为1100±200 km s⁻¹，晕质量估计值≥4×10¹¹ M☉，表明其为再电离时期一个质量巨大、早期形成的结构。

ABSTRACT

We present the spectroscopic confirmation of a protocluster at $z=7.88$ behind the galaxy cluster Abell2744 (hereafter A2744-z7p9OD). Using JWST NIRSpec, we find seven galaxies within a projected radius of 60kpc. Although the galaxies reside in an overdensity around $>20 imes$ greater than a random volume, they do not show strong Lyman-alpha emission. We place 2-$σ$ upper limits on the rest-frame equivalent width $<16$-$28$AA. Based on the tight upper limits to the Lyman-alpha emission, we constrain the volume-averaged neutral fraction of hydrogen in the intergalactic medium to be $x_{ m HI} > 0.45$ (68% CI). Using an empirical $M_{ m UV}$-$M_{ m halo}$ relation for individual galaxies, we estimate that the total halo mass of the system is $\gtrsim 4 imes10^{11}\,M_\odot$. Likewise, the line of sight velocity dispersion is estimated to be $1100 \pm 200$km/s. Using an empirical relation, we estimate the present-day halo mass of A2744-z7p9OD to be $\sim2 imes10^{15}\,M_\odot$, comparable to the Coma cluster. A2744-z7p9OD is the highest redshift spectroscopically confirmed protocluster to date, demonstrating the power of JWST to investigate the connection between dark-matter halo assembly and galaxy formation at very early times with medium-deep observations at $<20$hrs total exposure time. Follow-up spectroscopy of the remaining photometric candidates of the overdensity will further refine the features of this system and help characterize the role of such overdensities in cosmic reionization.

研究动机与目标

• 利用JWST NIRSpec对红移≈7.9的候选原星系团中的高红移星系进行光谱确认。
• 测量原星系团的过密度和速度 dispersion，以推断其质量和动力学状态。
• 基于Lyα发射线的极限，约束星际介质中中性氢的分数。
• 利用经验的晕质量关系估算原星系团的当前质量。
• 评估宇宙再电离时期早期星系物理性质的环境依赖性。

提出的方法

• 利用微光闸阵列（MSA）进行JWST NIRSpec多目标光谱观测，获取光度选中的候选星系的红移。
• 通过识别[O iii] λ5007及其他红移参考系光学发射线，独立于Lyα发射线确认红移。
• 根据60 kpc投影半径内确认星系的数量，计算过密度 δ = 24₋₁₂⁺⁸。
• 通过成员星系的红移分布测量速度 dispersion σ = 1100±200 km s⁻¹。
• 利用经验的 M_UV–M_halo 关系估算该系统的总晕质量。
• 应用宇宙学模拟预测其当前质量，并评估是否需要进一步的光谱后续观测。

实验结果

研究问题

• RQ1 在爱德华·阿贝尔2744星场中，z≈7.9的候选原星系团成员的光谱红移是多少？
• RQ2 确认的星系系统的过密度和速度 dispersion 是多少？它们对质量与动力学状态有何含义？
• RQ3 基于Lyα发射线的极限，可对星际介质中中性氢分数施加何种约束？
• RQ4 原星系团的总晕质量估计值是多少？与本地大质量星系团相比如何？
• RQ5 z≈7.9时早期星系的环境如何影响其物理性质？这揭示了再电离过程的哪些信息？

主要发现

• 在60 kpc半径内，光谱确认了七个星系处于z=7.88，形成一个过密度达24倍的原星系团。
• 该系统的速度 dispersion 测量值为1100±200 km s⁻¹，表明其为动力学活跃且质量巨大的结构。
• 原星系团的总晕质量估计值为≥4×10¹¹ M☉，当前质量为2.2₋₀.₆⁺⁰.₉×10¹⁵ M☉，与室女座星系团相当。
• Lyα发射被强烈抑制，其红移参考系等效宽度的2σ上限为16–28 Å，暗示体积平均中性氢分数 x_HI > 0.45。
• 本研究在利用红移参考系光学线识别z>7候选星系的红移方面实现了100%成功率，为文献新增五个已确认源。
• 对YD4的光谱红移进行了重新评估，发现其为视线方向上两个独立天体的重叠，解决了此前解释中的模糊性。