[论文解读] EIGER II. first spectroscopic characterisation of the young stars and ionised gas associated with strong H$β$ and [OIII] line-emission in galaxies at z=5-7 with JWST

Jorryt Matthee, Ruari Mackenzie+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 5

一句话总结

本研究利用詹姆斯·韦布空间望远镜/NIRCam 的无 slit 光谱技术，首次对红移 z=5.33–6.93 的 117 个星系进行了光谱确认，发现其具有强烈的 Hβ 和 [OIII] 发射线，揭示了年轻、低金属丰度、低尘埃含量的星系系统，其发射线等效宽度极高（高达 3000 Å），电离参数高，且在 z≈6 时 [OIII] 发射的光度密度显著高于 z≈2 时，表明 [OIII] 发射是再电离时期高红移星系群体的高效示踪指标。

ABSTRACT

We present emission-line measurements and physical interpretations for a sample of 117 [OIII] emitting galaxies at $z=5.33-6.93$, using the first deep JWST/NIRCam wide field slitless spectroscopic observations. Our 9.7-hour integration is centered upon the $z=6.3$ quasar J0100+2802 -- the first of six fields targeted by the EIGER survey -- and covers $λ=3-4$ microns. We detect 133 [OIII] doublets, but merge pairs within $\approx$10 kpc and 600 km s$^{-1}$, motivated by their small scale clustering excess. We detect H$β$ in 68 and H$γ$ emission in two galaxies. The galaxies are characterised by a UV luminosity M$_{ m UV}\sim-19.6$ ($-17.7$ to $-22.3$), stellar mass ~$10^8$ $(10^{6.8-10.1})$ M$_{\odot}$, H$β$ and [OIII] EWs $\approx$ 850 Angstrom (up to 3000 Angstrom), young ages (~100 Myr), a highly excited interstellar medium ([OIII]/H$β\approx6$) and low dust attenuations. These high EWs are very rare in the local Universe, but we show they are ubiquitous at $z\sim6$ based on the measured number densities. The stacked spectrum reveals H$γ$ and [OIII]$_{4364}$ which shows that the galaxies are typically dust and metal poor (E(B-V)=0.1, 12+log(O/H)=7.4) with a high electron temperature ($2 imes10^4$ K) and a production efficiency of ionising photons ($ξ_{ m ion}=10^{25.3}$ Hz erg$^{-1}$). We further show the existence of a strong mass-metallicity relation. The young highly ionising stellar populations, moderately low metallicities, low dust attenuations and high ionisation state in z~6 galaxies conspire to maximise the [OIII] output from galaxies, yielding an [OIII] luminosity density at z~6 that is significantly higher than at z~2, despite the order of magnitude decline in cosmic star formation. Thus, [OIII] emission-line surveys with JWST prove a highly efficient method to trace the galaxy density in the epoch of reionization.

研究动机与目标

• 利用 JWST 对 z=5–7 红移星系中表现出强烈 Hβ 和 [OIII] 发射的星系进行光谱表征。
• 确定这些星系的恒星与气体相性质，包括年龄、金属丰度、尘埃消光及电离光子产生效率。
• 通过测量 [OIII] 光度密度并与低红移对应物比较，评估这些星系在宇宙再电离中的作用。
• 利用 [OIII] 4364 的检测，检验 z≈6 时强线金属丰度标定法的有效性。
• 评估 [OIII] 发射线巡天在宇宙黎明时期映射星系密度与团聚度的效率。

提出的方法

• 在 z=6.3 类星体 J0100+2802 周围进行深度 9.7 小时的 JWST/NIRCam 宽场无 slit 光谱观测（WFSS），覆盖波长范围 λ=3–4 μm。
• 从 117 个 [OIII] 发射星系中提取并堆叠光谱，以探测 Hγ 和 [OIII] 4364 等弱线，从而实现对气体相金属丰度与电子温度的精确测量。
• 使用 CIGALE 进行 SED 拟合，结合光度与发射线拟合，推导出恒星质量、年龄与尘埃消光（E(B-V)）。
• 通过 Hβ 与 [OIII] 线流量比，计算电离光子产生效率（ξ_ion），即电离光度与恒星形成率之比。
• 应用强线金属丰度标定法（如 R23、O3Hβ），从观测到的线流量比推导出 12+log(O/H)，并由 [OIII] 4364 的检测结果加以验证。
• 测量 z≈6 时的 [OIII] 光度密度，并与 z≈2 时进行比较，使用相同的光度函数与恒星形成率密度估计值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 z≈6 时，表现出强烈 Hβ 与 [OIII] 发射的星系的物理性质（年龄、质量、金属丰度、尘埃含量）是什么？
• RQ2 z≈6 时的 [OIII] 光度密度与 z≈2 时相比如何？其差异由何驱动？
• RQ3 强线金属丰度标定法在 z≈6 时的适用程度如何？高红移时的星系质量-金属丰度关系如何？
• RQ4 高红移星系的电离光子产生效率（ξ_ion）是多少？与本地星系及 z≈2 星系相比有何差异？
• RQ5 利用 JWST 的 [OIII] 发射线巡天能否高效追踪再电离时期的星系过密区与团聚度？

主要发现

• 在 z=5.33–6.93 范围内的 117 个 [OIII] 发射星系样本，其紫外绝对星等的中位数为 M_UV ≈ -19.6，恒星质量约为 10^8 M⊙，Hβ+[OIII] 等效宽度约为 ~850 Å（最高达 3000 Å），表明其具有极端的电离气体发射。
• 堆叠光谱揭示了 Hγ 与 [OIII] 4364 的存在，测得气体相金属丰度为 12+log(O/H) = 7.38 ± 0.09（约 10% 太阳值），尘埃消光较低（E(B-V) = 0.14^{+0.16}_{-0.14}），电子温度高达约 2×10^4 K。
• 电离光子产生效率较高，ξ_ion = 10^25.3 Hz erg⁻¹，表明其能高效电离星际介质。
• 尽管宇宙恒星形成率密度下降了约 10 倍，z≈6 时的 [OIII] 光度密度仍为 z≈2 时的 2–5 倍，这主要归因于高红移时低质量、低金属丰度、低尘埃星系的主导。
• 在 z≈6 时观测到明显的质量-金属丰度关系，[OIII]/Hβ 比值在 ~10^8 M⊙ 时达到峰值，并在低质量与高质量端均下降，与理论预期一致。
• 对 Hγ 与 [OIII] 4364 等微弱谱线的检测，证实了 WFSS 技术可在极少连续谱污染下，有效探测高红移星系的尘埃、金属丰度与电离状态。