[论文解读] Feedback mechanisms stopping the star formation in a pair of massive galaxies in the early Universe

Pablo G. Pérez‐González, Francesco D’eugenio+19 more|DIGITAL.CSIC (Spanish National Research Council (CSIC))|May 6, 2024

Astronomy and Astrophysical Research被引用 4

一句话总结

本研究利用詹姆斯·韦布空间望远镜/NIRSpec积分场光谱技术，揭示了位于邻近星系卫星系（Hyde）中的活动星系核（AGN）反馈，使一个红移 z ≈ 3.7 的巨大宁静星系（Jekyll）的恒星形成被抑制。尽管Jekyll中未检测到明显的AGN，但该系统周围的电离气体星云表现出类似AGN的光致电离特征，表明Hyde中已衰减的AGN反馈在超过500 Myr的时间内维持了Jekyll的宁静状态。

ABSTRACT

Feedback is the key physical mechanism regulating galaxy formation. Stars in galaxies form when baryons radiatively cool down and fall into gravitational wells. Eventually, star formation quenches as gas is depleted and/or perturbed by feedback processes, no longer being able to collapse and condense. For massive galaxies, astronomers identify feedback from accreting supermassive black holes (active galactic nuclei, AGN) as the main agent responsible for quenching. We report the first spatially resolved spectroscopic observations of a massive, completely quiescent galaxy at $z=3.714$ (Jekyll) and its neighborhood. Jekyll is part of a galaxy pair with a compact, dusty, massive star-forming companion (Hyde). We find large amounts of ionized and neutral gas in the intergalactic medium around the pair, yet Jekyll has remained quiescent for more than 500~Myr. The emitting gas is consistent with AGN photoionization, but no AGN is observed in Jekyll. We find that, in contrast to standard scenarios, AGN in satellite galaxies can be critical contributors for keeping massive galaxies quiescent in the early Universe. After the accelerated formation and quenching of the massive central galaxy, tidally induced gas stripping additionally contributes to the star-formation regulation on subsequent satellite galaxy generations.

研究动机与目标

• 理解在高红移（z ≈ 3.7）环境下，导致巨大宁静星系中恒星形成被抑制的物理机制。
• 研究Jekyll这一巨大宁静星系为何在富含气体的环境中（星际介质中存在大量电离和中性气体）仍保持宁静。
• 确定围绕Jekyll及其伴星Hyde的光致电离星云的起源，特别是其是否由中心AGN或其他源驱动。
• 检验卫星星系反馈在调控巨大早型星系中恒星形成过程中的作用，挑战仅中心AGN可驱动抑制的传统范式。

提出的方法

• 利用JWST/NIRSpec仪器获取Jekyll与Hyde系统的空间分辨积分场光谱（IFS），实现对电离气体动力学和发射线特性的高分辨率映射。
• 通过诊断图分析星云发射线（如Hα、[O III]），以区分电离机制是来自AGN、激波还是恒星形成。
• 通过建模遮蔽因子和电离谱能量分布，估算产生遥远星云（Eastfield、Mr West）中观测到的Hα光度所需的AGN总辐射光度。
• 将推断的AGN光度与来自Spitzer-MIPS 24 μm数据和射电观测的上限进行比较，评估Hyde中AGN是否为光学厚或已衰减。
• 利用Jekyll光谱的星族合成建模，推导其年龄、金属丰度和质量，确认其宁静性质及长期的宁静状态。
• 结合动力学和空间分布数据，评估潮汐相互作用与气体剥离在后续世代卫星星系中长期抑制恒星形成的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在红移 z ≈ 3.7 处，巨大宁静星系Jekyll周围广泛存在的电离气体星云的起源是什么？
• RQ2 卫星星系（Hyde）中AGN的反馈是否能够解释Jekyll的恒星形成被抑制并长期保持宁静，尽管Jekyll本身未检测到AGN？
• RQ3 为产生观测到的Hα发射，AGN所需的光度和遮蔽因子是多少？其结果是否与红外和射电波段的观测上限一致？
• RQ4 潮汐相互作用与气体剥离在中心巨大星系初始被抑制后，对卫星星系中恒星形成长期抑制的贡献如何？
• RQ5 该系统在多大程度上挑战标准ΛCDM范式，特别是在早期宇宙中巨大星系抑制的时机与机制方面？

主要发现

• Jekyll 是一个红移 z = 3.714 的巨大宁静星系，尽管其处于富含气体的环境中（星际介质中存在大量电离和中性气体），但其已保持宁静超过500 Myr。
• 围绕Jekyll-Hyde双星系统的电离星云（Eastfield 和 Mr West）表现出与AGN激发一致的光致电离特征，但Jekyll中未检测到AGN。
• 对Hα光度及与Hyde的投影角度的建模表明，Hyde中的AGN必须具有总辐射光度 log(L_AG_N/erg s⁻¹) ≈ 44.5–46.2，具体取决于星云的遮蔽因子。
• 推断的AGN光度仅在Hyde中的AGN为光学厚或5 μm与总辐射光度比值较低（如II型AGN所见）时，才与Spitzer-MIPS 24 μm上限一致。
• 缺乏强射电辐射（3-GHz通量 < 7 μJy）排除了Jekyll中存在明亮、当前活跃的射电模式AGN的可能性，支持其处于宁静或已衰减状态。
• 结果表明，卫星星系中的AGN反馈可成为抑制中心巨大星系的主导机制，挑战了仅中心AGN驱动早期宇宙巨大星系抑制的传统假设。