[論文レビュー] JADES: Discovery of extremely high equivalent width Lyman-alpha emission from a faint galaxy within an ionized bubble at z=7.3

Aayush Saxena, Brant Robertson+44 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2023

Advanced Optical Sensing Technologies参考文献 12被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、非常に微かなLyα発光銀河をz=7.278で発見・特徴づけた報告であり、非常に高いrest-frame Lyα EWとほぼ系統的な速度を示しており、低カラム密度のチャネルを通じた逃逸と拡張されたイオン化バブルの存在を示唆している。

ABSTRACT

We report the discovery of a remarkable Ly$α$ emitting galaxy at z = 7.2782, JADES-GS-z7-LA, with EW$_0$(Ly$α$) $= 388.0 \pm 88.8$Åand UV magnitude -17.0. The spectroscopic redshift is confirmed via rest-frame optical lines [O II], H$β$ and [O III] in its JWST/NIRSpec Micro-Shutter Assembly (MSA) spectrum. The Ly$α$ line is detected in both lower resolution PRISM as well as medium resolution G140M grating spectra. The LSF-deconvolved Ly$α$ FWHM in the grating is $383.9 \pm 56.2$ km/s and the Ly$α$ velocity offset compared to the systemic redshift is $113.3 \pm 80.0$ km/s, indicative of very little neutral gas or dust within the galaxy. We estimate the Ly$α$ escape fraction to be >70%. JADES-GS-z7-LA has a O32 ratio of $11.1 \pm 2.2$ and a R23 ratio of $11.2 \pm 2.6$, consistent with low metallicity and high ionization parameters. Deep NIRCam imaging also revealed a close companion source (separated by 0.23"), which exhibits similar photometry to that of JADES-GS-z7-LA, with a photometric excess in the F410M NIRCam image consistent with [O III]+H$β$ emission at the same redshift. The spectral energy distribution of JADES-GS-z7-LA indicates a "bursty" star formation history, with a low stellar mass of $\approx 10^7$ $M_\odot$. Assuming that the Ly$α$ transmission through the intergalactic medium is the same as its measured escape fraction, an ionized region of size > 1.5 pMpc is needed to explain the high Ly$α$ EW and low velocity offset compared to systemic seen in JADES-GS-z7-LA. Owing to its UV-faintness, we show that it is incapable of single-handedly ionizing a region large enough to explain its Ly$α$ emission. Therefore, we suggest that JADES-GS-z7-LA (and possibly the companion source) may be a part of a larger overdensity, presenting direct evidence of overlapping ionized bubbles at $z>7$.

研究の動機と目的

• z>7のLyα発光銀河における星間物質（ISM）の条件と電離の状況を調べる。
• Lyαの逃逸を制約し、LyCの逃逸と再電離への影響を考察する。
• Lyα伝送と近接構造を通じて周囲のIGMのイオン化状態を特徴づける。

提案手法

• JWST NIRSpec分光法（PRISMおよびG140M）を用いてLyαと rest-frame optical線を検出し、[O III] 5007, 4959, およびHβから系統赤方偏移を導出する。
• NIRCam画像を用いて.rest-optical/UVの光度を取得し、近接の伴星源をデブレンチする。
• 発光線へガウスフィットを適用してフラックスとEWを測定し、PRISMデータから線比（O32, R23）を推定する。
• PRISM連続スペクトルとNIRCam光測度からUV等級と傾斜を推定する。
• HαからのSFRをCase B再結合仮定と金属量を考慮して推定する。
• 多波長光度分布を用いてSEDをモデル化し、恒星質量・金属量・星形成履歴を制約する。

Figure 1: NIRSpec PRISM (R100) spectrum of JADES-GS-z7-LA at $z=7.278$ , showing both 1D and 2D spectra. The error spectrum has been shown as the orange-shaded region. We additionally show zoom-ins around the Ly \textalpha line (top left) and the H \textbeta , [O iii ] $\lambda 4959$ and [O iii ] $\

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UVが弱いLyα発光をもつz>7の銀河におけるISMの条件とイオン化パラメータはどうなるか。
• RQ2 高EWかつほぼ系統的な速度オフセットを持つ銀河ではLyαはどのように逃げるのか。
• RQ3 Lyα伝送はz~7.3の周囲IGMとイオン化バブルの大きさについて何を示すのか。
• RQ4 Lyαの視認性に寄与する近隣のイオン化領域や過密度の証拠はあるか。

主な発見

Parameter	Measurement
z_sys	7.2782± 0.0003
z_Lyα	7.2822± 0.0004
F([O ii] 3727) ×10^-20 erg s^-1 cm^-2	5.4±1.4
F(Hβ) ×10^-20 erg s^-1 cm^-2	7.9±2.2
F([O iii] 4959) ×10^-20 erg s^-1 cm^-2	23.1±6.0
F([O iii] 5007) ×10^-20 erg s^-1 cm^-2	59.9±4.0
EW0([O ii] 3727)	69.9±14.4
EW0(Hβ)	113.0±23.1
EW0([O iii] 4959)	330.3±62.9
EW0([O iii] 5007)	854.8±58.0
F(Lyα) (R1000) ×10^-20 erg s^-1 cm^-2	229.2±25.9
F(Hβ) (R1000) ×10^-20 erg s^-1 cm^-2	14.3±5.9
F([O iii] 5007) (R1000) ×10^-20 erg s^-1 cm^-2	64.6±6.2
EW0(Lyα)	388.0±88.8
EW0(Hβ) (R1000)	204.9±62.5
EW0([O iii] 5007)	1028.1±165.5

• Lyα発光はz Lyα = 7.2822で検出され、系統赤方偏移はz_sys = 7.2782±0.0003（[O III]ラインから）である。
• Lyαのrest-frame EWは388.0±88.8 Å（R1000）、ラインFWHMは383.9±56.2 km/sにデコンボリューションされ、速度オフセットΔv = 113.3±80.0 km/sである。
• LyαフラックスF(Lyα) = 229.2±25.9 ×10^-20 erg s^-1 cm^-2; 連続は微 faintで、M_UV ≈ -17.05およびUV傾斜β ≈ -2.06±0.14となる。
• O32 = 11.1±2.2, R23 = 11.2±2.6, and R3 = 7.6±1.5, はISMにおける低金属量と高いイオン化パラメータと整合する。
• 強い[O III] 5007が rest-opticalスペクトルを支配し、EW0([O III] 5007) = 1028.1±165.5 Å、EW0([O III] 4959) = 330.3±62.9 Å。
• 近接の伴星源がほぼ同じ赤方偏移で存在し、過密環境と重なり合うイオン化バブルの可能性を示唆。

Figure 2: Robust detection of the [O iii ] $\lambda 5007$ emission line in the $R\sim 1000$ G395M grating spectrum, which was used to derive an accurate systemic redshift of $z=7.2782\pm 0.0003$ . This redshift is consistent with the weaker detections of the [O iii ] $\lambda 4959$ and H \textbeta l