[论文解读] First rest-frame infrared spectrum of a z>7 quasar: JWST/MRS observations of J1120+0641

Sarah E. I. Bosman, Javier Álvarez-Márquez+30 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2023

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 4

一句话总结

本研究利用詹姆斯·韦布空间望远镜/MRS首次获得了红移 z > 7 类星体 J1120+0641 的 rest-frame 红外光谱，揭示了在 1.3 µm 处存在温度为 1413.5 K 的热尘埃辐射，同时检测到 Hα 和巴尔末系宽发射线。该类星体的热尘埃与宽线区特性与低红移类星体一致，表明在大爆炸后不到 7.6 亿年，成熟的吸积结构已迅速形成。

ABSTRACT

We present a JWST/MRS spectrum of the quasar J1120+0641 at z=7.0848, the first spectroscopic observation of a reionisation-era quasar in the rest-frame infrared ($0.6<λ<3.4μ$m). In the context of the mysterious fast assembly of the first supermassive black holes at z>7, our observations enable for the first time the detection of hot torus dust, the H$α$ emission line, and the Paschen-series broad emission lines in a quasar at z>7. Hot torus dust is clearly detected as an upturn in the continuum emission at $λ_{ ext{rest}}\simeq1.3μ$m, leading to a black-body temperature of $T=1413.5^{+5.7}_{-7.4}$K. Compared to similarly-luminous quasars at 06 ($2σ$ significance). We measure the black hole mass of J1120+0641 based on the H$α$ Balmer line, $M_{ ext{BH}}=1.52\pm0.17\cdot 10^9 M_\odot$, which is in good agreement with the previous rest-UV MgII black hole mass measurement. The black hole mass based on the Paschen-series lines is also consistent, indicating no significant extinction in the rest-frame UV measurement. The broad H$α$, Pa-$α$ and Pa-$β$ emission lines are consistent with an origin in a common broad-line region (BLR) with density log$N_H/ ext{cm}^{-3}\geq 12$, ionisation parameter $-7<$log$U<-4$, and extinction E(B-V)$\lesssim 0.1$mag. These BLR parameters are consistent with similarly-bright quasars at 0

研究动机与目标

• 利用 JWST/MRS 获得 z > 7 类星体的首个 rest-frame 红外光谱。
• 研究高红移类星体中热尘埃环和宽线区的物理条件。
• 评估早期类星体的特性是否与低红移类星体存在显著差异，特别是尘埃温度和发射线特征方面。
• 利用 rest-frame 光学发射线测定黑洞质量，并与基于紫外的测量结果进行比较。
• 通过线比分析评估宽线区中消光和电离条件的存在。

提出的方法

• 利用詹姆斯·韦布空间望远镜的中红外仪器（MIRI）中分辨率光谱仪（MRS）获取 J1120+0641 的高分辨率光谱。
• 假设光学薄发射且 β = 2，采用修正的黑体模型拟合观测连续谱，以推导热尘埃温度。
• 应用标准的 virial 质量估计方法，利用 Hα 巴尔末线和巴尔末系线测量黑洞质量。
• 将观测到的发射线比（Hα、Pa-α、Pa-β）与单相 Cloudy 光电离模型的预测进行比较，以推断 BLR 密度、电离参数和消光程度。
• 对 z < 6 和 6 < z < 6.5 样本的尘埃温度与 BLR 特性进行统计比较，以评估红移演化。
• 利用来自 Mikulski 空间望远镜档案馆和欧洲 JWST 档案馆的归档数据进行校准和背景信息支持。

实验结果

研究问题

• RQ1 z = 7.0848 类星体 J1120+0641 的 rest-frame 红外能谱分布为何？其热尘埃发射揭示了何种信息？
• RQ2 J1120+0641 中热尘埃环的温度与 z < 6 和 6 < z < 6.5 的类似光度类星体相比如何？
• RQ3 J1120+0641 中的 Hα 和巴尔末系宽发射线是否与同一宽线区一致？其推断的 BLR 条件为何？
• RQ4 该高红移类星体的宽线区是否存在显著消光或电离异常的证据？
• RQ5 该 z > 7 类星体的吸积结构在多大程度上与低红移类星体相似，表明其早期成熟？

主要发现

• 在 rest-frame λ ≈ 1.3 µm 处检测到 J1120+0641 的热尘埃环呈连续谱上升，其黑体温度为 1413.5⁺⁵.⁷₋₇.₄ K。
• 该尘埃温度位于 z < 6 时类似光度类星体的前 1% 水平，且在 6 < z < 6.5 类星体中处于前 25% 水平，表明在 z > 6 时热尘埃温度演化微弱，置信度达 2σ。
• 基于 Hα 线测得的黑洞质量为 1.52 ± 0.17 × 10⁹ M☉，与先前基于紫外 Mg II 的测量结果高度一致。
• 基于巴尔末系线的黑洞质量估计在不确定度范围内一致，表明 UV 基质量测量未受显著消光偏差影响。
• 观测到的 Hα、Pa-α 和 Pa-β 线比与单一宽线区一致，其参数为 log N_H / cm⁻³ ≥ 12，–7 < log U < –4，且 E(B–V) ≤ 0.1 mag。
• 该类星体的热尘埃与宽线区特性与 z < 4 的明亮类星体完全一致，表明在大爆炸后不到 7.6 亿年，吸积结构已达到成熟状态。