[논문 리뷰] Little Red Dots: an abundant population of faint AGN at z~5 revealed by the EIGER and FRESCO JWST surveys

Jorryt Matthee, Rohan P. Naidu외 26명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 08.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 37

한 줄 요약

저자들은 JWST EIGER 및 FRESCO 데이터를 사용하여 z~4–6에서 넓은 H-alpha 방출체를 탐색하고, 20개의 Broad-line H-alpha 방출체를 식별하며 SMBH 질량이 ~10^7–10^8 Msun인 희미한 AGN을 추정하고 z~5에서 기대치보다 높은 수밀도를 제시한다.

ABSTRACT

Characterising the prevalence and properties of faint active galactic nuclei (AGN) in the early Universe is key for understanding the formation of supermassive black holes (SMBHs) and determining their role in cosmic reionization. We perform a spectroscopic search for broad H$α$ emitters at $z\approx4-6$ using deep JWST/NIRCam imaging and wide field slitless spectroscopy from the EIGER and FRESCO surveys. We identify 20 H$α$ lines at $z=4.2-5.5$ that have broad components with line widths from $\sim1200-3700$ km s$^{-1}$, contributing $\sim30-90$ % of the total line flux. We interpret these broad components as being powered by accretion onto SMBHs with implied masses $\sim10^{7-8}$ M$_{\odot}$. In the UV luminosity range M$_{ m UV}=-21$ to $-18$, we measure number densities of $\approx10^{-5}$ cMpc$^{-3}$. This is an order of magnitude higher than expected from extrapolating quasar UV luminosity functions. Yet, such AGN are found in only $<1$ % of star-forming galaxies at $z\sim5$. The SMBH mass function agrees with large cosmological simulations. In two objects we detect narrow red- and blue-shifted H$α$ absorption indicative, respectively, of dense gas fueling SMBH growth and outflows. We may be witnessing early AGN feedback that will clear dust-free pathways through which more massive blue quasars are seen. We uncover a strong correlation between reddening and the fraction of total galaxy luminosity arising from faint AGN. This implies that early SMBH growth is highly obscured and that faint AGN are only minor contributors to cosmic reionization.

연구 동기 및 목표

• z~5에서 broad H-alpha 방출을 통해 희미한 AGN의 실태를 정량화한다.
• Broad-line H-alpha 방출체 및 그들의 SMBHs의 특성을 특징화한다.
• 희미한 AGN가 우주 재이온화에 상당히 기여하는지 평가한다.
• 관측된 AGN 수밀도를 퀘이사 광도함수와 시뮬레이션과 비교한다.

제안 방법

• JWST NIRCam 이미징과 EIGER 및 FRESCO의 넓은 필드 슬릿리스 분광기를 결합하여 z=4.0–6.0 범위의 플럭스-제한 H-alpha 샘플을 구축한다.
• 그리즘 스펙트럼에 대해 좁은 가우시안과 넓은 가우시안 프로필을 맞춰 broad component의 S/N>5를 만족하는 경우 broad H-alpha 성분을 식별한다.
• 공간적으로 해상된 추출 및 오염 제거를 수행하여 중심 은하를 가까운 동반체로부터 구분한다.
• 다중 성분 모델을 적합시켜 broad와 narrow H-alpha 플럭스를 추출하고 broad component의 FWHM을 산출한다(typical ~2000 km/s).
• H-alpha 광도와 선 비(예: [NII] 포함) 비율을 추정하여 X-ray 비탐지에도 AGN 기원을 주장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z~4–6에서 broad H-alpha를 가진 희미한 AGN의 공간 밀도는 얼마인가?
• RQ2 고적성에서 broad H-alpha 방출에 암시되는 SMBH 질량과 축적 특성은 무엇인가?
• RQ3 z~5의 희미한 AGN 집단이 퀘이사 UV 광도함수의 외삽 및 시뮬레이션과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 희미한 AGN가 재이온화에 상당히 기여하는가, 아니면 대부분 차폐되어 있는가?

주요 결과

• z=4.2–5.5에서 Broad-line H-alpha 방출체 20개를 확인했으며, broad component가 전체 H-alpha 플럭스의 대략 30–90%를 차지한다.
• Broad H-alpha 선 폭은 대략 1200–3700 km/s에 걸쳐 있으며 추정 SMBH 질량은 ~10^7–10^8 Msun.
• UV-광도 범위 M_UV,AGN+host ≈ -21 to -18에서 수밀도는 ~1e-5 cMpc^-3로, 간단한 quasar LF 외삽보다 한 자리 수 큰 차이를 보이지만 이 AGN은 z~5의 별생성 은하의 <1%에 위치한다.
• 이들 소스의 SMBH 질량 함수는 대규모 우주적 시뮬레이션과 일치한다.
• 적색화와 전체 은하 광도의 AGN 분율 사이에 강한 상관관계가 발견되어 초기 SMBH 성장이 심하게 차폐되며, 희미한 AGN이 재이온화에 기여하는 바가 미미하다고 시사한다.
• 두 대상에서 복잡한 H-alpha 프로파일의 증거가 있어 밀집 가스로부터의 흡수 신호와 초기 AGN 피드백 가능성을 시사한다.