[论文解读] GA-NIFS: Black hole and host galaxy properties of two z$\simeq$6.8 quasars from the NIRSpec IFU

Madeline A. Marshall, Michele Perna+21 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 5被引用 10

一句话总结

本研究利用 JWST/NIRSpec IFU 对两颗 z~6.8 的类星体观测，以从 Hβ 和 Hα 推导出稳健的黑洞质量，分解类星体与宿主星系的发射，识别伴随合并特征，并测量宿主/伴星属性及电离性出流。

ABSTRACT

Integral Field Spectroscopy (IFS) with JWST NIRSpec will significantly improve our understanding of the first quasars, by providing spatially resolved, infrared spectroscopic capabilities which cover key rest-frame optical emission lines that have been previously unobservable. Here we present our results from the first two z>6 quasars observed as a part of the Galaxy Assembly with NIRSpec IFS (GA-NIFS) GTO program, DELS J0411-0907 at z=6.82 and VDES J0020-3653 at z=6.86. By observing the H$β$, [OIII], and H$α$ emission lines in these high-z quasars for the first time, we measure accurate black hole masses, $M_{ m{BH}}=1.85e9$ and $2.9e9$M$_\odot$, corresponding to Eddington ratios of $λ_{ m{Edd}}=0.8$ and 0.4 for DELS J0411-0907 and VDES J0020-3653 respectively. These provide a key comparison for existing estimates from the more uncertain MgII line. We perform quasar-host decomposition using models of the quasars' broad lines to measure the underlying host galaxies. We also discover multiple emission line regions surrounding each of the host galaxies, which are likely companion galaxies undergoing mergers with these hosts. We measure the star formation rates, excitation mechanisms, and dynamical masses of the hosts and companions, measuring the $M_{ m{BH}}/M_{ m{dyn}}$ ratios at high-z using these estimators for the first time. DELS J0411-0907 and VDES J0020-3653 both lie above the local black hole--host mass relation, and are consistent with the existing observations of $z\gtrsim6$ quasar host galaxies with ALMA. We detect ionized outflows in [OIII] and H$β$ from both quasars, with mass outflow rates of 58 and 525 M$_{\odot}$/yr for DELS J0411-0907 and VDES J0020-3653, much larger than their host star formation rates of <33 and <54 M$_\odot$/yr. This work highlights the exceptional capabilities of the JWST NIRSpec IFU for observing quasars in the early Universe.

研究动机与目标

• 利用 JWST/NIRSpec 可观测的休眠帧 Hβ 和 Hα 线，确定两颗 z~6.8 quasars 的准确黑洞质量和 Eddington 比率。
• 进行类星体–宿主分解，以恢复宿主星系发射并评估恒星形成、星际介质性质和动力学。
• 识别并表征周围的发射线区域，作为潜在合并伴星，并衡量它们对宿主动力学的影响。
• 量化电离气体的出流性质，并将黑洞–宿主标度与高红shift 的局部关系进行比较。

提出的方法

• 对两颗类星体进行 JWST NIRSpec IFU 观测，视场 3"×3"，光谱范围 2.87–5.27 μm（R~2700），对象为 DELS J0411−0907 和 VDES J0020−3653。
• 使用 QubeSpec 对类星体光谱进行拟合，BLR 线使用断能幂律，GN/GB 线使用高斯分量来建模 Hβ、[O III] 和 Hα 区域。
• 使用 QDeblend3D 对类星体与宿主发射进行分解，以建模来自宽线区的点扩散函数（PSF），并在两个波长区间减去未解析的发射（使用 Hβ 的探测器缝蓝端和使用 Hα 的红端）。
• 对每个光栅格单元按选定的休止态连续窗进行连续体扣除，以辅助具有空间分辨的线分析。
• 在优化的孔径内提取积分光谱并使用校正因子以恢复总通量。
• 测量 GN、GB 与 BLR 分量的线动学（V_r、FWHM）及线发光度；从 Hβ 和 Hα 计算黑洞质量与 Eddington 比率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在使用静态 rest-frame Hβ 和 Hα 时，两颗 z~6.8 类星体的黑洞质量和 Eddington 比率是多少？
• RQ2 类星体宿主星系的属性（SFR、动力学、质量）及其周围的发射线区性质？
• RQ3 在高红shift 下，宿主是否高于局部的 M_BH–M_dyn 关系？这对 SMBH 的生长有何含义？
• RQ4 是否存在相互作用或合并的可见迹象（伴星系），以及它们如何影响宿主属性与出流？
• RQ5 电离出流的属性为何？其质量流量与宿主的 SFR 相比如何？

主要发现

• 测得的黑洞质量：DELS J0411−0907 = 1.85^{+2}_{-0.8}×10^9 M_sun 和 VDES J0020−3653 = 2.9^{+3.5}_{-1.3}×10^9 M_sun。
• Eddington 比率：λ_Edd = 0.8^{+0.7}_{-0.4} 对 DELS J0411−0907，λ_Edd = 0.4^{+0.3}_{-0.2} 对 VDES J0020−3653。
• 联合的类星体–宿主分解揭示了宿主星系发射以及若干周围的发射线区域，极可能代表正在合并的伴星。
• 在 [O III] 和 Hβ 中观测到出流，质量流量分别为 58^{+44}_{-37} M_sun/yr（DELS J0411−0907）和 525^{+75}_{-92} M_sun/yr（VDES J0020−3653），均超过宿主的 SFRs（分别小于 33 和 54 M_sun/yr）。
• 两颗类星体都位于局部黑洞–宿主质量关系之上，与其他 z>6 的类星体宿主研究（ALMA 趋势）一致。
• 证明了 JWST NIRSpec IFU 在早期宇宙中获得时空分辨的 rest-frame 光学诊断的能力。