[论文解读] A CEERS Discovery of an Accreting Supermassive Black Hole 570 Myr after the Big Bang: Identifying a Progenitor of Massive z > 6 Quasars

Rebecca L. Larson, Steven L. Finkelstein+50 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2023

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 21

一句话总结

本论文报道了在 CEERS_1019 中通过 JWST 发现的在 z = 8.679 的正在吸积的超大质量黑洞，以及通过发射线分析对早宇宙中黑洞起源和增长的影响。

ABSTRACT

We report the discovery of an accreting supermassive black hole at z=8.679, in CEERS_1019, a galaxy previously discovered via a Ly$α$-break by Hubble and with a Ly$α$ redshift from Keck. As part of the Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) survey, we observed this source with JWST/NIRSpec spectroscopy, MIRI and NIRCam imaging, and NIRCam/WFSS slitless spectroscopy. The NIRSpec spectra uncover many emission lines, and the strong [O III] emission line confirms the ground-based Ly$α$ redshift. We detect a significant broad (FWHM~1200 km/s) component in the H$β$ emission line, which we conclude originates in the broad-line region of an active galactic nucleus (AGN), as the lack of a broad component in the forbidden lines rejects an outflow origin. This hypothesis is supported by the presence of high-ionization lines, as well as a spatial point-source component embedded within a smoother surface brightness profile. The mass of the black hole is log($M_{BH}/M_{\odot})=6.95{\pm}0.37$, and we estimate that it is accreting at 1.2 ($\pm$0.5) x the Eddington limit. The 1-8 $μ$m photometric spectral energy distribution (SED) from NIRCam and MIRI shows a continuum dominated by starlight and constrains the host galaxy to be massive (log M/M$_{\odot}$~9.5) and highly star-forming (SFR~30 M$_{\odot}$ yr$^{-1}$). Ratios of the strong emission lines show that the gas in this galaxy is metal-poor (Z/Z$_{\odot}$~0.1), dense (n$_{e}$~10$^{3}$ cm$^{-3}$), and highly ionized (log U~-2.1), consistent with the general galaxy population observed with JWST at high redshifts. We use this presently highest-redshift AGN discovery to place constraints on black hole seeding models and find that a combination of either super-Eddington accretion from stellar seeds or Eddington accretion from massive black hole seeds is required to form this object by the observed epoch.

研究动机与目标

• 在重离子化时代推动对黑洞种子与早期增长机制的约束。
• 使用 JWST 光谱法在 z>8 的星系中识别并表征一个正在吸积的 SMBH。
• 推断宿主星系属性和气体条件，以为黑洞-星系共同演化模型提供信息。

提出的方法

• 使用 JWST CEERS 观测（NIRSpec、NIRCam、MIRI、WFSS）获取光谱和多波段成像。
• 通过高斯加上连续体模型并进行 MCMC（10,000 次迭代，100 个行走者）拟合发射线以确定线通量及不确定性。
• 通过掩盖谱线、平滑并与光度SED进行交叉核对来推断连续体拟合以确定线的显著性。
• 基于 NIRCam 形态和光度孔径匹配的狭缝损失校正。
• 将 G140M、G235M、G395M 光谱合并为单一高信噪比光谱以用于线测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 JWST 光谱学揭示的 CEERS_1019 的红移及性质（它是否为 z>8 的 AGN）是什么？
• RQ2 发射线特征（如 [O III]、Lyα、高离子线等）及对电离源的含义是什么？
• RQ3 该系统的宿主星系属性（恒星质量、SFR、金属量）及气体条件（ne、U）是什么？
• RQ4 推断的黑洞质量和吸积率是多少，这些约束如何为 z>8 的黑洞种子和增长模型提供信息？

主要发现

Lyα1215	11775.10 ± 6.58	14.4	5.41 ± 0.38	209.77 ± 121.21	L	L	1196.74 ± 470.98	10.67 ± 0.93	218.61 ± 332.94	N V1238+1242
N IV]1483+1486	14357.60 ± 8.77	7.6	3.36 ± 0.44	363.99 ± 20.77	1.23 ± 0.85	2.13 ± 0.69	L	7.96 ± 1.47	16.15 ± 183.26	[O II]3727+3729
[Ne III]3869	37456.30 ± 2.29	12.84	3.5 ± 0.27	358.44 ± 17.43	L	L	L	44.27 ± 7.07	8.51 ± 19.64	[Ne III]3968+Hθ3971

• CEERS_1019 是一个在 z = 8.679 的正在吸积的 SMBH，具有宽的 Hβ 分量（FWHM ~ 1200 km s−1）和高离子化线（N V、N IV]、C III]）。
• 黑洞质量为 log(MBH/M⊙) = 6.95 ± 0.37，以 1.2 ± 0.5 倍 Eddington 限制的速率吸积。
• 宿主星系质量较大，log(M/M⊙) ~ 9.5，SFR ~ 30 M⊙ yr−1，sSFR ~ −7.9 Gyr−1；气体金属含量低（Z/Z⊙ ~ 0.1）、密度高（ne ~ 10^3 cm−3）、离子化程度高（log U ~ −2.1）。
• 该发现对黑洞种子提出约束，要求要么来自恒星种子的超Eddington 吸积，要么来自非常大种子的爱丁顿吸积，才能在 z>8 达到观测的质量。
• 发射线分析使用 JWST/NIRSpec M-gram 以检测 Lyα、NV、NIV]、[O III]、Ne III、Hδ 等线，并进行了 1D 提取和仔细的误差标定。
• 这一 z>8 的 AGN 代表一个祖先群体，为超越 z>6 的大质量类星体的形成路径提供信息。