[论文解读] JADES: The incidence rate and properties of galactic outflows in low-mass galaxies across 3 < z < 9

Stefano Carniani, Giacomo Venturi+31 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 14被引用 12

一句话总结

本研究利用来自 JADES 的超深 JWST/NIRSpec 光谱，在 3 < z < 9 的 52 个低质量星系中识别电离性外流，发现发生率为 25–40%，中位外流速度约为 500 km/s，质量装载因子约为 2，并显示外流可以逃逸并富集 CGM/IGM。

ABSTRACT

We investigate the incidence and properties of ionized gas outflows in a sample of 52 galaxies with stellar mass between $10^7$ M$_{\odot}$ and $10^9$ M$_{\odot}$ observed with ultra-deep JWST/NIRSpec MSA spectroscopy as part of the JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). The high-spectral resolution (R2700) NIRSpec observations allowed us to identify for the first time the signature of outflows in the rest-frame optical nebular lines in low-mass galaxies at $z&gt;3$. The incidence fraction of ionized outflows, traced by broad components, is about 25-40$\%$ depending on the intensity of the emission lines. The low incidence fraction might be due to both the sensitivity limit and the fact that outflows are not isotropic but have a limited opening angle which results in a detection only when this is directed toward our line of sight. Evidence for outflows increases slightly with stellar mass and star-formation rate. The median velocity and mass loading factor (i.e., the ratio between mass outflow rate and star formation rate) of the outflowing ionized gas are 350 km s$^{-1}$ and $η=2.0^{+1.6}_{-1.5}$, respectively. These are 1.5 and 100 times higher, respectively than the typical values observed in local dwarf galaxies. These outflows are able to escape the gravitational potential of the galaxy and enrich the circum-galactic medium and, potentially, the inter-galactic medium. Our results indicate that outflows can significantly impact the star formation activity in low-mass galaxies within the first 2 Gyr of the Universe.

研究动机与目标

• 使用 JWST/NIRSpec 数据，研究在 3 < z < 9 的低质量星系（M* < 10^10 Msun）中电离气体外流的发生率及特征。
• 量化外流的动力学（速度、分散）和质量装载，并与逃逸速度比较以评估对 CGM/IGM 的潜在富集。
• 探究外流发生率和特征对宿主星系属性（恒星质量、SFR、sSFR）的依赖。
• 评估观测到的外流对早期宇宙中恒星形成及反馈的影响。

提出的方法

• 在 3.5 < z < 8.5 且 M* 位于 10^6.7–10^9.2 Msun、在 NIRSpec G395H/F290LP 光谱中 [OIII] 或 H-alpha 的信噪比 > 5 的星系中选择 52 个。
• 进行多高斯光谱拟合并使用嵌套采样以分离窄成分（盘面）与宽成分（外流）。
• 模型：two Gaussians with sigma_broad = sigma_narrow * delta_sigma and A_broad = A_narrow * delta_A, with priors and a requirement delta_sigma > 1.2 and delta_A < 0.5.
• 通过以下标准判定外流存在：(i) 卡方改进 ≥ 10%，(ii) 贝叶斯证据的 Delta log K > 2，(iii) 宽成分通量大于 3 sigma，以及目视检查。
• 计算 v_out as |v_broad - v_narrow| + 2*sigma_broad,deconv, with sigma_broad,deconv deconvolved for instrumental LSF.
• 从发光度 L(H-alpha) 或 L([OIII]) 估计 M_out；推导 dotM_out 与质量装载因子 eta = dotM_out / SFR。
• 使用 Hernquist 磁盘模型加 NFW 暗层模型将外流速度与星系逃逸速度进行比较，以评估潜在的 CGM/IGM 富集性。

实验结果

研究问题

• RQ1 低质量星系（M* < 10^10 Msun）在 3 < z < 9 的 Rest-frame 光学星云线中，有多少比例检测到电离外流？
• RQ2 这些电离外流的典型速度、速度分散和质量装载因子是什么？
• RQ3 在高 redshift、低质量的星系中，外流是否具有足够能量逃离星系势能并富集 CGM/IGM？
• RQ4 外流的发生率和属性与宿主星系属性（恒星质量、SFR、特定 SFR）之间是否存在相关性？

主要发现

• 样本中外流发生率大约为 25–40%，取决于发射线的信噪比。
• 中位外流速度约为 ~500 km/s。
• 质量装载因子为 eta = 2.1^{+2.5}_{-1.6}。
• 外流速度大约是估计星系逃逸速度的三倍左右，意味着气体可以逃逸星系并富集 CGM/IGM。
• 外流比本地矮星更快，大约快一倍，在 z > 4 时速度几乎没有明显演化。
• 外流与恒星质量和星形成率呈正相关趋势，尽管速度与 SFR 或 M* 的全局相关性不强。
• 外流似乎有能力在宇宙最初的 ~2 Gyr 内影响低质量星系的星形成活动。