[논문 리뷰] The FENIKS Survey: Spectroscopic Confirmation of Massive Quiescent Galaxies at z ~ 3-5

Jacqueline Antwi-Danso, Casey Papovich외 14명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 18.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 8

한 줄 요약

저자들은 FENIKS 서베이에서 Keck/MOSFIRE 분광학을 통해 세 개의 거대 quiescent 은하를 확인했고(하나는 z=3.757에서 보안적으로 확정, 두 개는 z=3.336 및 z=4.673에서 잠정 확정) 또한 z=3.594에서 AGN를 확인했으며, 이는 초기 대질량 은하의 나이와 전구체에 대한 시사점을 제공합니다.

ABSTRACT

The measured ages of massive, quiescent galaxies at $z\sim 3-4$ imply that massive galaxies quench as early as $z\sim 6$. While the number of spectroscopic confirmations of quiescent galaxies at $z < 3$ has increased over the years, there are only a handful at $z > 3.5$. We report spectroscopic redshifts of one secure ($z=3.757$) and two tentative ($z = 3.336$, $z=4.673$) massive ($\log(M_\ast/M_\odot) > 10.3$) quiescent galaxies with 11 hours of Keck/MOSFIRE $K$-band observations. Our candidates were selected from the FENIKS survey, which uses deep Gemini/Flamingos-2 $K_b$ $K_r$ imaging optimized for increased sensitivity to the characteristic red colors of galaxies at $z > 3$ with strong Balmer/4000 Å breaks. The rest-frame $UVJ$ and $(ugi)_s$ colors of 3/4 quiescent candidates are consistent with $1-2$ Gyr old stellar populations. This places these galaxies as the oldest objects at these redshifts, and challenges the notion that quiescent galaxies at $z > 3$ are all recently-quenched, "post-starburst" galaxies. Our spectroscopy shows that the other quiescent-galaxy candidate is a broad-line AGN ($z = 3.594$) with strong, redshifted $Hβ$+[O III] emission with a velocity offset $>1000$ km/s, indicative of a powerful outflow. The star-formation history of our highest redshift candidate suggests that its progenitor was already in place by $z \sim 7-11$, reaching $\sim$ 10$^{11} M_{\odot}$ by $z \simeq 8$. These observations reveal the limit of what is possible with deep near-infrared photometry and targeted spectroscopy from the ground and demonstrate that secure spectroscopic confirmation of quiescent galaxies at $z > 4$ is only feasible with JWST.

연구 동기 및 목표

• 우주 초기에 가장 거대한 은하의 형성 및 제암(quenching)을 견고하게 제약하려는 동기를 강하게 제시합니다.
• FENIKS에 의해 선택된 z>3의 거대 quiescent 후보 은하들의 분광적 적색편이를 얻습니다.
• 나이와 전구체를 평가하기 위한 성일(스텔라) 집단, rest-frame 색상, 별 형성 이력을 특성화합니다.

제안 방법

• 강한 Balmer/4000 Å 단절을 가지는 고적대(quiescent) 후보를 선택하기 위해 깊은 Gemini/Flamingos-2 K-band 분할 이미지(Kb 및 Kr)를 사용합니다.
• z>3.3에서 연속체 및 흡수선(및 AGN의 경우 방출선)을 검출하기 위해 11시간의 Keck/MOSFIRE K-band 분광학을 획득합니다.
• 슬릿 별로 대기가 보정될 수 있도록 최적 가중치를 사용한 1D 스펙트럼 추출 및 플럭스 보정(대기로 보정)합니다.
• eazy-py 및 Bagpipes로 광측정(photometry)과 분광 측정(photometric 및 spectroscopic redshifts) 및 별 인구 매개변수를 도출합니다.
• Bagpipes로 광측정과 스펙트럼을 공동 적합하여 이중-전력법(SFH), 금속량(metallicity), 먼지, 방출선 등을 포함하는 9-매개변수 모델을 채택합니다.
• slinefit를 사용하여 스펙트럼의 흡수 특징과 선 비율을 통해 독립적으로 적색편이를 추정합니다.

Figure 1: 11 ′′ $\times$ 11 ′′ image stamps and photometric redshift solutions for our four $\log(M_{\ast}/M_{\odot})>10$ quiescent candidates and broad-line AGN. The $K$ -band images are convolved to match a PSF with FWHM=1.05 ′′ . The faintest candidates have markers next to them to distinguish th

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z>3의 거대 quiescent 은하가 현재의 대지상 근적외선 시설로도 분광적으로 확인될 수 있는가?
• RQ2 이 고적대 quiescent 시스템의 나이, 별질량, 별 형성 이력, rest-frame 색상은 무엇인가?
• RQ3 후보 중 실제로 quiescent인가 아니면 AGN 또는 은하 형성 중인가의 비율은 얼마이며 z>4에서 지상 기반 탐지에 어떤 편향이 작용하는가?
• RQ4 이 시스템들이 전구체와 형성 시점(z~7-11)에 대해 무엇을 시사하는가?

주요 결과

• 세 개의 quiescent 은하 후보에 대한 적색편이가 확정되었으며: 하나는 z=3.757에서, 두 개는 z=3.336 및 z=4.673에서 잠정 확정이다.
• 하나의 후보는 z=3.594에서 폭넓은 선(broad-line) AGN으로, 강한 적색이동된 Hβ + [O III] 방출을 보이며 강력한 아웃플로우를 나타낸다.
• 3/4의 quiescent 후보의 rest-frame UVJ 및 (ugi)s 색은 1–2 Gyr의 항성 집단과 일치한다.
• 가장 높은 적색편이 후보의 SFH는 그 전구체가 z~7–11까지 제자리에 있었고 z~10에서 약 10^11 M⊙에 도달했음을 시사한다.
• 이 결과들은 z>4의 확실한 확인에 대한 깊은 지상 기반 NIR 광측정 및 분광의 한계를 보여주며, z>4 분광에는 JWST가 필수적임을 강조한다.
• 연구는 모든 z>3 quiescent 은하가 최근의 중지된 포스트-스타버스트가 아닐 수 있으며, 이 시대 내의 더 오래된 인구일 수 있음을 강조한다.

Figure 2: From left to right: 11-hour MOSFIRE spectra, redshift probability distribution, and false-color images of our candidates. The spectra are arranged in order of increasing redshift. For display purposes, we smoothed the 2D spectra with a 0.7 ′′ FWHM Gaussian in the spatial direction . Note t