[论文解读] Little Red Dots: an abundant population of faint AGN at z~5 revealed by the EIGER and FRESCO JWST surveys

Jorryt Matthee, Rohan P. Naidu+26 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 37

一句话总结

作者使用 JWST EIGER 和 FRESCO 数据在 z~4–6 寻找广义 H-alpha 发射体，鉴定出 20 个 broad-line H-alpha 发射体，并推断出 faint AGN，其 SMBH 质量约 10^7–10^8 Msun，在 z~5 的数密度高于预期。

ABSTRACT

Characterising the prevalence and properties of faint active galactic nuclei (AGN) in the early Universe is key for understanding the formation of supermassive black holes (SMBHs) and determining their role in cosmic reionization. We perform a spectroscopic search for broad H$α$ emitters at $z\approx4-6$ using deep JWST/NIRCam imaging and wide field slitless spectroscopy from the EIGER and FRESCO surveys. We identify 20 H$α$ lines at $z=4.2-5.5$ that have broad components with line widths from $\sim1200-3700$ km s$^{-1}$, contributing $\sim30-90$ % of the total line flux. We interpret these broad components as being powered by accretion onto SMBHs with implied masses $\sim10^{7-8}$ M$_{\odot}$. In the UV luminosity range M$_{ m UV}=-21$ to $-18$, we measure number densities of $\approx10^{-5}$ cMpc$^{-3}$. This is an order of magnitude higher than expected from extrapolating quasar UV luminosity functions. Yet, such AGN are found in only $<1$ % of star-forming galaxies at $z\sim5$. The SMBH mass function agrees with large cosmological simulations. In two objects we detect narrow red- and blue-shifted H$α$ absorption indicative, respectively, of dense gas fueling SMBH growth and outflows. We may be witnessing early AGN feedback that will clear dust-free pathways through which more massive blue quasars are seen. We uncover a strong correlation between reddening and the fraction of total galaxy luminosity arising from faint AGN. This implies that early SMBH growth is highly obscured and that faint AGN are only minor contributors to cosmic reionization.

研究动机与目标

• 通过 broad H-alpha 发射来量化 z~5 时 faint AGN 的普遍性。
• 表征 broad-line H-alpha 发射体及其 SMBH 的特性。
• 评估 faint AGN 是否对宇宙 reionization 产生显著贡献。
• 将观测到的 AGN 数密度与 quasar UV 光度函数和模拟结果进行比较。

提出的方法

• 将 JWST NIRCam 成像与来自 EIGER 及 FRESCO 的广域 slitless 光谱结合起来，构建 z=4.0–6.0 的 flux-limited H-alpha 样本。
• 通过对 grism 光谱拟合 narrow+broad Gaussian档来识别 broad H-alpha 分量，要求 broad 分量的 S/N>5。
• 进行空间分辨提取和污染清理，以区分中心星系与附近伴星。
• 对多组分模型进行拟合以提取 broad 与 narrow H-alpha 的通量，并推导 broad 分量的 FWHM（典型 ~2000 km/s）。
• 估计 H-alpha 光度与线比（含 [NII]），以论证其为 AGN 来源，尽管 X-ray 未检测到。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 z~4–6 时，具有 broad H-alpha 的 faint AGN 的体密度是多少？
• RQ2 由 high redshift 的 broad H-alpha 发射所暗示的 SMBH 质量与吸积特性是什么？
• RQ3 在 z~5 时，faint AGN 群体与 quasar UV 光度函数的外推以及与模拟结果相比有何不同？
• RQ4 faint AGN 是否对 reionization 具有显著贡献，还是大多被遮蔽？

主要发现

• 在 z=4.2–5.5 找到 20 个 broad-line H-alpha 发射体，其中 broad 分量贡献总 H-alpha 通量的 ~30–90%。
• Broad H-alpha 线宽约为 ~1200–3700 km/s；推断的 SMBH 质量约为 ~10^7–10^8 Msun。
• 在 UV 光度范围 M_UV,AGN+host ≈ -21 至 -18，数密度约为 ~1e-5 cMpc^-3，相较于简单的 quasar LF 外推高出一个数量级，但这些 AGN 分布在 z~5 的 star-forming 星系中占比 <1%。
• 这些源的 SMBH 质量函数与大型宇宙学仿真结果一致。
• 在总星系光度中的 reddening 与 AGN 百分比之间发现强相关性，这表明早期 SMBH 生长高度被遮蔽，faint AGN 对 reionization 的贡献有限。
• 两对象的 H-alpha 光谱剖面显示复杂性，提示来自致密气体的吸收签名以及可能的早期 AGN 反馈。