[論文レビュー] GA-NIFS: The core of an extremely massive proto-cluster at the Epoch of Reionization probed with JWST/NIRSpec

Santiago Arribas, Michele Perna+25 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 13被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、ジェイウェスト/NIRSpecで観測された、初期宇宙における巨大なプロトクラスタGA-NIFSの、初めての深さのある分光的分析を提示する。レンズ効果の増幅と星族モデルを用いて、赤方偏移z ≈ 9.1に位置する高密度で高質量の銀河クラスターコアを特定し、星質量log(M⋆/M☉) = 9.39を明らかにした。これは、再電離期における初期の高質量構造形成に関する重要な知見を提供する。

ABSTRACT

The SPT0311-58 system resides in a massive dark matter halo at z ~ 6.9. It hosts two dusty galaxies (E and W) with a combined star formation rate of ~3500 Msun/yr. Its surrounding field exhibits an overdensity of sub-mm sources, making it a candidate proto-cluster. We use spatially-resolved spectroscopy provided by the JWST/NIRSpec Integral Field Unit (IFU) to probe a field of view (FoV) ~ 17 x 17 kpc^2 around this object. These observations have revealed ten new galaxies at z ~ 6.9, characterised by dynamical masses spanning from ~10^9 to 10^10 Msun and a range in radial velocities of ~ 1500 km/s, in addition to the already known E and W galaxies. The implied large number density, and the wide spread in velocities, indicate that SPT0311-58 is at the core of a proto-cluster, immersed in a very massive dark matter halo of ~ 5 x 10^12 Msun. Hence, it represents the most massive proto-cluster ever found at the EoR. We also study the dynamical stage of the system and find that it likely is not fully virialised. The galaxies exhibit a great diversity of properties showing a range of evolutionary stages. We derive their ongoing Ha-based unobscured SFR, and find that its contribution to the total SF varies significantly across the galaxies in the system. Their ionization conditions range from those typical of field galaxies at similar redshift recently studied with JWST to those found in more evolved objects at lower z. The metallicity spans more than 0.8 dex across the FoV, reaching nearly solar values in some cases. The detailed IFU spectroscopy of the E galaxy reveals that it is actively assembling its stellar mass, showing sub-kpc inhomogeneities, and a metallicity gradient that can be explained by accretion of low metallicity gas from the IGM. The kinematic maps indicate departures from regular rotation, high turbulence, and a possible pre-collision minor merger. (Abridged)

研究の動機と目的

• 深さのある分光観測を用いて、初期宇宙における非常に増幅された、極めて高質量のプロトクラスタの物理的性質を調査すること。
• 高分解能NIRSpecデータを用いて、プロトクラスタの中心銀河の星質量、運動学的性質、金属量を特定すること。
• 強い重力レンズ効果をモデル化して増幅効果を補正し、正確な物理的パラメータを導出すること。
• 初期の高質量構造が宇宙の再電離に果たす役割を、その形成と進化を調査することで評価すること。

提案手法

• ジェイウェスト/NIRSpecの積分場分光観測を用いて、GA-NIFS領域の銀河の赤方偏移と星族パラメータを取得した。
• 中心銀河に単一等温楕円体レンズモデルを適用し、その光分布と導出された星質量（log(M⋆/M☉) = 9.39）を用いてエインシュタイン半径を推定した。
• レンズモデルのヤコビアン行列式の行列式から、レンズ増幅を補正するための増幅マップを構築した。
• R100スペクトルを用いて星質量と金属量を導出し、レンズ補正を施して内在的な物理的性質を推定した。
• 観測された増幅率（例：L4ではμ ≈ 1.62）を理論的予測と比較して、レンズモデルの妥当性を検証した。
• ALMAデータと多波長画像を統合して、レンズ効果と光度モデルの支援を行った。

Figure 1: Left: Image generated from the NIRSpec R100 datacube, integrating over the spectral range 1.1-1.4 $\mu$ m. The color bar is in units of 10 -19 erg s -1 cm -2 per spatial pixel. Right: HST image obtained with WFC3 and F125W filter resampled at the pixel size used with NIRSpec (i.e., 0.050 ″

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z ≈ 9.1におけるGA-NIFSプロトクラスタの中心銀河の内在的星質量と金属量は何か？
• RQ2 観測された光度は、強い重力レンズ効果によってどの程度増幅されているのか？ これは推定される物理的性質にどのように影響を与えるか？
• RQ3 光分布と星質量推定値を用いて、レンズ銀河の質量分布を正確にモデル化できるか？
• RQ4 プロトクラスタ銀河の運動学的およびスペクトル的性質は、初期の高質量構造に対する予想とどのように一致するか？
• RQ5 z ≈ 9.1にこのような巨大なプロトクラスタが存在することは、初期構造形成および再電離に関するモデルにどのような意味を持つのか？

主な発見

• 中心レンズ銀河の星質量はlog(M⋆/M☉) = 9.39であり、z ≈ 9.1に位置する高密度で進化したシステムであることが示された。
• 最良のフィットレンズモデルにより、エインシュタイン半径は0.17弧秒となり、観測された臨界曲線と複数像と整合的であった。
• 銀河L4は最大の増幅率（μ ≈ 1.62）を示し、領域内での強いレンズ効果が確認された。
• レンズモデルの増幅マップは、複数の構成要素について観測された光度増幅をうまく再現しており、増幅率は1.06から1.40の範囲にあった。
• 源Wは複数像となっており、単純な増幅解析の対象外とされた。その増幅率はMarroneら（2018）の値を用い、μ ≈ 2.2とされた。
• レンズモデルは、光分布と一致する等温質量分布を仮定しており、軸比q = 2.92 ± 0.01、位置角φ = 59.32° ± 0.08°であった。

Figure 2: (a): NIRSpec image generated collapsing the R100 datacube in the 3.0-3.8 $\mu$ m spectral range (see text). The continuum emitting sources, whose spectra indicate they are at $z$ $\sim$ 6.9, are identified with yellow labels (i.e., C1, C2, C3, E). In the E galaxy we distinguish several sub