[论文解读] MIDIS: Strong (Hb + [OIII]) and Ha emitters at redshift $z \simeq 7-8$ unveiled with JWST/NIRCam and MIRI imaging in the Hubble eXtreme Deep Field (XDF)

Pierluigi Rinaldi, K. I. Caputi+45 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2023

Atomic and Subatomic Physics Research被引用 5

一句话总结

本研究利用哈勃极端深空场中的JWST/NIRCam和MIRI成像，在红移z ≈ 7–8的范围内识别出18个稳健的（Hβ + [O III]）发射体和12个Hα发射体。这是首次在z > 7的单个星系中直接探测到Hα发射，结果表明强Hα发射体在z ≈ 7–8时贡献了约25%的总恒星形成率密度，表明其在宇宙再电离过程中发挥了重要作用。

ABSTRACT

We make use of extit{JWST} medium and broad-band NIRCam imaging, along with ultra-deep MIRI $5.6 m μm$ imaging, in the Hubble eXtreme Deep Field (XDF) to identify prominent line emitters at $z\simeq 7-8$. Out of a total of 58 galaxies at $z\simeq 7-8$, we find 18 robust candidates ($\simeq$31\%) for (H$β$ + [OIII]) emitters, based on their enhanced fluxes in the F430M and F444W filters, with EW$_{0}$(H$β$ +[OIII]) $\simeq 87 - 2100$ Å. Among these emitters, 16 lie in the MIRI coverage area and 12 exhibit a clear flux excess at $5.6 \, m μm$, indicating the simultaneous presence of a prominent H$α$ emission line with EW$_{0}$(H$α$) $\simeq 200-3000$ Å. This is the first time that H$α$ emission can be detected in individual galaxies at $z>7$. The H$α$ line, when present, allows us to separate the contributions of H$β$ and [OIII] to the (H$β$ +[OIII]) complex, and derive H$α$-based star formation rates (SFRs). We find that in most cases [OIII]/H$β> 1$. Instead, two galaxies have [OIII]/H$β< 1$, indicating that the NIRCam flux excess is mainly driven by H$β$. This could potentially imply extremely low metallicities. Most prominent line emitters are very young starbursts or galaxies on their way to/from the starburst cloud. They make for a cosmic SFR density $ m log_{10}(ρ_{SFR_{Hα}}) \simeq -2.35$, which is about a quarter of the total value ($ m log_{10}(ρ_{SFR_{tot}}) \simeq -1.76$) at $z\simeq 7-8$. Therefore, the strong H$α$ emitters likely had a significant role in reionization.

研究动机与目标

• 利用哈勃极端深空场中的深JWST成像，识别z ≈ 7–8的强发射线星系。
• 探测并表征高红移星系中的Hα发射，此前在z > 7时尚未实现。
• 测量强Hα发射体对z ≈ 7–8时总恒星形成率密度（SFRD）的贡献。
• 利用基于Hα的诊断方法，区分Hβ和[O III]对（Hβ + [O III]）复合体的贡献。

提出的方法

• 利用JWST的中等和宽波段NIRCam成像探测z ≈ 7–8的星系。
• 应用MIRI 5.6 μm成像以识别高红移Hα发射的流量过剩。
• 基于F430M和F444W滤镜中流量增强选择候选体，表明（Hβ + [O III]）发射较强，其静止参考等效宽度为87–2100 Å。
• 利用5.6 μm处的流量过剩存在来确认Hα发射，其静止参考等效宽度为200–3000 Å。
• 通过Hα诊断方法对（Hβ + [O III]）复合体进行去卷积，计算基于Hα的恒星形成率（SFR）。
• 将Hα发射体的SFR与z ≈ 7–8其他星系的SFR相结合，估算该红移下的总SFRD。

实验结果

研究问题

• RQ1 在XDF中，利用JWST数据，z ≈ 7–8时强（Hβ + [O III]）发射体的占比是多少？
• RQ2 能否在z > 7的单个星系中探测到Hα发射，其强度如何？
• RQ3 强Hα发射体对z ≈ 7–8时总恒星形成率密度的贡献是多少？
• RQ4 如何利用Hα发射来区分高红移下Hβ和[O III]对（Hβ + [O III]）复合体的贡献？

主要发现

• 在z ≈ 7–8时识别出18个稳健的（Hβ + [O III]）发射体，其静止参考等效宽度范围为87至2100 Å。
• 在18个（Hβ + [O III]）发射体中，有12个在5.6 μm处表现出流量过剩，证实存在Hα发射，其静止参考等效宽度为200–3000 Å。
• 这是首次在z > 7的单个星系中直接探测到Hα发射。
• 强Hα发射体在z ≈ 7–8时贡献了约25%的总恒星形成率密度（SFRD）。
• Hα发射使得能够将Hβ和[O III]对（Hβ + [O III]）复合体的贡献分离，从而改善SFR估算。
• 结果表明，强Hα发射体在宇宙再电离过程中发挥了重要作用。