[論文レビュー] JWST and ALMA Multiple-Line Study in and around a Galaxy at $z=8.496$: Optical to FIR Line Ratios and the Onset of an Outflow Promoting Ionizing Photon Escape

Seiji Fujimoto, Masami Ouchi+34 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、JWSTおよびALMAを用いて赤方偏移z=8.496の高赤方偏移銀河について多波長解析を行い、光学〜FIRライン比を測定し、電離光子の漏れを促進する新生の噴流を特定した。研究結果は、コンパクトでほこりが多く、活発に星形成が進行している系であり、[C II]の著しい欠落と、電離放射の漏れを促進する低金属量で噴流を発する銀河間物質（ISM）の証拠を示している。

ABSTRACT

We present ALMA deep spectroscopy for a lensed galaxy at $z_{ m spec}=8.496$ with $\log(M_{ m star}/M_{\odot})\sim7.8$ whose optical nebular lines and stellar continuum are detected by JWST/NIRSpec and NIRCam Early Release Observations in SMACS0723. Our ALMA spectrum shows [OIII]88$μ$m and [CII]158$μ$m line detections at $4.0σ$ and $4.5σ$, respectively. The redshift and position of the [OIII] line coincide with those of the JWST source, while the [CII] line is blue-shifted by 90 km s$^{-1}$ with a spatial offset of $0.''5$ ($\approx0.5$ kpc in source plane) from the JWST source. The NIRCam F444W image, including [OIII]$λ$5007 and H$β$ line emission, spatially extends beyond the stellar components by a factor of $>8$. This indicates that the $z=8.5$ galaxy has already experienced strong outflows whose oxygen and carbon produce the extended [OIII]$λ$5007 and the offset [CII] emission, which would promote ionizing photon escape and facilitate reionization. With careful slit-loss corrections and removals of emission spatially outside the galaxy, we evaluate the [OIII]88$μ$m/$λ$5007 line ratio, and derive the electron density $n_{ m e}$ by photoionization modeling to be $220^{+170}_{-100}$ cm$^{-3}$, which is comparable with those of $z\sim2-3$ galaxies. We estimate an [OIII]88$μ$m/[CII]158$μ$m line ratio in the galaxy of $>4$, as high as those of known $z\sim6-9$ galaxies. This high [OIII]88$μ$m/[CII]158$μ$m line ratio is generally explained by the high $n_{ m e}$ as well as the low metallicity ($Z_{ m gas}/Z_{\odot}=0.04^{+0.02}_{-0.02}$), high ionization parameter ($\log U > -2.27$), and low carbon-to-oxygen abundance ratio ($\log$(C/O) $=[-0.52:-0.24]$) obtained from the JWST/NIRSpec data; further [CII] follow-up observations will constrain the covering fraction of photodissociation regions.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移銀河z=8.496の物理的状態と電離状態を調査し、初期銀河進化を理解すること。
• 光学〜FIRライン比を測定して、銀河間物質（ISM）の状態とほこりによる減光を調べること。
• 銀河の噴流が高赤方偏移銀河からの電離放射の漏れをどのように促進するかを評価すること。
• 多波長の光度測定と分光測定を用いて、銀河の空間的構造とスペクトルエネルギー分布（SED）を特徴付けること。
• CIGALEを用いたSEDフィッティングにより、星形成歴、ほこりの性質、金属量を特定すること。

提案手法

• ALMAを用いて、銀河z=8.496における[C II] 158 μm、[O III] 88 μm、およびその他の遠赤外線ラインの検出を実施する。
• JWST/NIRCamおよびMIRI画像を用いて、SEDフィッティング用のレストフレームUV〜ミッドIR光度測定を取得する。
• 遅延した星形成歴、SMCの減光曲線を用いたほこりの減光、Casey（2012）のほこり放射モデルを用いたCIGALEによるSEDフィッティングを実施する。
• ALMAのラインマップに対してCASA imfitを、NIRCam画像に対してgalfitを用いて空間的モデリングを行い、源のサイズと分解能の高い形状を測定する。
• レンズ効果のマッピングを用いて、内在的フラックスおよび物理的性質を導出する。
• SEDフィッティングにおいて、ほこりの温度（30–90 K）、発光指数（β=1.8）、ミッドIRの傾き（α=2.0）といった重要なパラメータを固定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z=8.496銀河における光学〜FIR線放出のライン比は何か？ そして、これらはISM状態に何を示唆するか？
• RQ2 この高赤方偏移銀河からの電離放射がどの程度漏れているか？ そして、その漏れを促進するメカニズムは何か？
• RQ3 [C II]、[O III]、およびレストフレームUV/光学連続スペクトルの空間的形状はどのように比較されるか？ そして、これらはISM構造に何を示唆するか？
• RQ4 SEDフィッティングに基づくと、z=8.496銀河の星形成歴、ほこりの含有量、金属量は何か？
• RQ5 銀河の噴流の証拠はあるか？ そして、観測された[C II]の欠落と電離光子の漏れとはどのように相関しているか？

主な発見

• 銀河は顕著な[C II]欠落を示しており、[C II]/FIRフラックス比が通常の局所的値を下回っている。これは、非常に電離化されているか、または噴流を発するISMを示唆している。
• ALMAは[O III] 88 μmの放射を検出しており、若い大質量星形成集団に一致する強力でコンパクトな電離源の存在を確認している。
• ALMAの分解能では[C II]ラインは解像不能であり、コンパクトな放射または強いビームスメアリングを示しており、おそらく噴流ガスに起因すると考えられる。
• SEDフィッティングにより、高いほこり温度（T_d ≈ 50–70 K）、低金属量（Z ≈ 0.0004–0.004）、および最近の星形成バースト（f_burst ≈ 0.1–0.25）が得られ、若い、ほこりが多い系と整合的である。
• 最良のフィットモデルでは、レストフレームUVにおける半光半径が約0.5–1.0 kpcのコンパクトな源が得られ、星形成が集中した領域と整合的である。
• 観測された[C II]欠落とコンパクトな形状は、低金属量で噴流を発するISMと整合的であり、電離光子の漏れを促進する。これは、噴流が再イオン化に果たす役割を支持する。