[论文解读] Detection of stellar light from quasar host galaxies at redshifts above 6

Xuheng Ding, Masafusa Onoue+42 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 8

一句话总结

本研究利用JWST的NIRSpec和NIRCam观测，首次在红移高于6的类星体宿主星系中实现了对恒星光的稳健检测，同时校正了类星体连续谱发射中的宿主星系污染。分析结果显示，J2236+0032和J2255+0251的virial黑洞质量分别为(1.36 ± 0.15) × 10⁹ M☉和(1.97 ± 0.17) × 10⁸ M☉，其中宿主星系恒星光对观测流量的贡献显著，尤其在J2236+0032中更为明显。

ABSTRACT

The detection of starlight from the host galaxies of quasars during the reionization epoch ($z>6$) has been elusive, even with deep HST observations. The current highest redshift quasar host detected, at $z=4.5$, required the magnifying effect of a foreground lensing galaxy. Low-luminosity quasars from the Hyper Suprime-Cam Subaru Strategic Program (HSC-SSP) mitigate the challenge of detecting their underlying, previously-undetected host galaxies. Here we report rest-frame optical images and spectroscopy of two HSC-SSP quasars at $z>6$ with JWST. Using NIRCam imaging at 3.6$μ$m and 1.5$μ$m and subtracting the light from the unresolved quasars, we find that the host galaxies are massive (stellar masses of $13 imes$ and $3.4 imes$ $10^{10}$ M$_{\odot}$, respectively), compact, and disk-like. NIRSpec medium-resolution spectroscopy shows stellar absorption lines in the more massive quasar, confirming the detection of the host. Velocity-broadened gas in the vicinity of these quasars enables measurements of their black hole masses ($1.4 imes 10^9$ and $2.0 imes$ $10^{8}$ M$_{\odot}$, respectively). Their location in the black hole mass - stellar mass plane is consistent with the distribution at low redshift, suggesting that the relation between black holes and their host galaxies was already in place less than a billion years after the Big Bang.

研究动机与目标

• 检测并量化红移高于6的类星体宿主星系中的恒星光，这是早期星系与黑洞演化过程中的关键阶段。
• 校正类星体连续谱发射中的宿主星系污染，以获得准确的黑洞质量估计。
• 评估窄线区发射（Hβ + [O iii]）对宽带测光的影响及其对宿主星 stellar 质量推断的干扰。
• 在不同演化情景下，建模高红移类星体在黑洞质量–星 stellar 质量平面中的预期位置。
• 基于观测数据与模拟样本，约束z ≈ 6时黑洞质量与星 stellar 质量比（M_BH/M_*）的演化。

提出的方法

• 利用JWST/NIRSpec和NIRCam观测，对两个红移约为6.4的高红移类星体（J2236+0032和J2255+0251）进行高分辨率光谱和成像。
• 采用基于二维光谱的类星体分解技术，通过拟合并减去高斯轮廓来分离未分辨的类星体成分，从而隔离空间扩展的宿主星系发射。
• 计算光谱狭缝孔径内扩展的[O iii]发射与宿主星系光之间的通量比，以量化窄线区的污染程度。
• 利用本地M_BH/M_*比值和参考文献25中更新的Eddington率分布，在z = 6.4时构建类星体和宿主星系的模拟样本，以模拟其在M_BH–M_*平面中的预期位置。
• 通过蒙特卡洛采样纳入M_*的观测不确定性及M_BH的内在离散性，并应用星等截断（−23.9 < M_1450 < −23.8）以匹配选择函数。
• 使用双变量概率分布约束M_BH/M_* ∝ (1+z)^γ中的演化指数γ，68%置信区间为γ ∈ [−0.40, 0.84]。

实验结果

研究问题

• RQ1 在红移z > 6的高红移类星体中，观测到的连续谱发射中有多少比例源自宿主星系而非活动星体核？
• RQ2 窄线区发射（Hβ + [O iii]）对用于推断宿主星系恒星质量的宽带测光贡献有多大？
• RQ3 在扣除宿主星系污染后，5100 Å连续谱发射中的黑洞质量校正结果是什么？
• RQ4 高红移类星体在黑洞质量–星 stellar 质量平面中的位置如何？这对M_BH/M_*比值的演化有何启示？
• RQ5 在考虑观测数据与模拟样本后，z ≈ 6时M_BH/M_*比值的允许演化范围是什么？

主要发现

• 在J2236+0032和J2255+0251的NIRSpec G395M光谱中，成功稳健检测到红移≈6.4的类星体宿主星系的恒星光，宿主贡献分别为约20%和10%。
• 在考虑宿主星系污染后，J2236+0032的virial黑洞质量校正为(1.36 ± 0.15) × 10⁹ M☉。
• 在考虑宿主星系污染后，J2255+0251的virial黑洞质量校正为(1.97 ± 0.17) × 10⁸ M☉，其观测流量中宿主贡献显著。
• 对于J2255+0251，[O iii]发射在狭缝孔径内贡献了F356W波段11%的通量，但其中大部分被识别为未分辨的类星体发射并经分解去除。
• 对于J2236+0032，[O iii]发射仅贡献约3%的宿主星系通量，且未检测到Hβ发射。
• 在M_BH/M_* ∝ (1+z)^γ中，演化指数γ的置信区间为−0.40至+0.84（68%置信水平），表明在z ≈ 6时M_BH/M_*比值无显著演化或仅有轻微增长。