[论文解读] On the observability and identification of Population III galaxies with JWST

James Trussler, Christopher J. Conselice+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2022

Astronomy and Astrophysical Research被引用 4

一句话总结

本文评估了詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）对高红移第一代恒星（Population III）星系的可探测性与识别能力，发现使用F444W–F560W和F560W–F770W颜色裁剪的深红外近红外相机（NIRCam）与中红外仪器（MIRI）测光是目前最可靠的筛选方法。最确凿的识别特征是高等效宽度的He ii λ1640发射线，需进行超深NIRSpec光谱观测（10–250小时）才能实现5σ检测，尽管中等程度的引力透镜效应或更高的星系质量可减少所需积分时间。

ABSTRACT

We utilise theoretical models of Population III stellar+nebular spectra to investigate the prospects of observing and accurately identifying Population III galaxies with JWST using both deep imaging and spectroscopy. We investigate a series of different colour cuts, finding that a combination of NIRCam and MIRI photometry through the F444W-F560W, F560W-F770W colours offers the most robust identifier of potential $z=8$ Pop III candidates. We calculate that NIRCam will have to reach $\sim$28.5-30.0 AB mag depths (1-20 h), and MIRI F560W must reach $\sim$27.5-29.0 AB mag depths (10-100 h) to achieve $5σ$ continuum detections of $M_* = 10^6~\mathrm{M}_\odot$ Pop III galaxies at $z=8$. We also discuss the prospects of identifying Pop III candidates through slitless and NIRSpec spectroscopic surveys that target Ly$α$, H$β$ and/or He II $λ1640$. We find small differences in the H$β$ rest-frame equivalent width (EW) between Pop III and non-Pop III galaxies, rendering this diagnostic likely impractical. Instead, we find that the detection of high EW He II $λ1640$ emission will serve as the definitive Pop III identifier, requiring (ultra-)deep integrations (10-250 h) with NIRSpec/G140M for $M_*=10^6~\mathrm{M}_\odot$ Pop III galaxies at $z=8$. However, MIRI F770W detections of Pop III galaxies will require substantial gravitational lensing ($μ=10$) and/or fortuitous imaging of exceptionally massive ($M_* = 10^7~\mathrm{M}_\odot$) Pop III galaxies. Thus, NIRCam medium-band imaging surveys that can search for high EW He II $λ1640$ emitters in photometry may perhaps be a viable alternative for finding Pop III candidates.

研究动机与目标

• 评估利用JWST的成像与光谱能力在z ≈ 8处探测与识别第一代恒星星系的可行性。
• 确定从NIRCam与MIRI数据中筛选高红移第一代恒星候选体的最佳测光颜色裁剪方法。
• 评估JWST仪器对第一代恒星星系连续谱与发射线检测的灵敏度需求。
• 识别最可靠的光谱诊断特征，以确凿区分第一代恒星星系与非第一代恒星星系。
• 探讨引力透镜效应与星系固有质量在减少探测所需积分时间方面的作用。

提出的方法

• 利用第一代恒星与电离气体光谱的理论模型，模拟z ≈ 8处的宽带测光与发射线特征。
• 计算使用NIRCam与MIRI滤光片对M* = 10⁶ M☉第一代恒星星系实现5σ连续谱检测所需的AB星等深度。
• 评估基于中心在He ii λ1640处的中等带宽滤光片的测光筛选策略，以识别高等效宽度发射体。
• 模拟NIRSpec/G140M与G395M的光谱观测，评估He ii λ1640与Hβ线在5σ显著性下的可探测性。
• 评估通过NIRSpec G395M数据中Hβ检测与[O iii] λ5007非检测获得的金属丰度约束。
• 考虑引力透镜效应（μ = 2–3, 10）与第一代恒星星系恒星质量变化（2–3×10⁶ M☉，最高达10⁷ M☉）对可探测性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在NIRCam与MIRI波段中，哪些测光颜色裁剪方法能最可靠地识别z ≈ 8第一代恒星星系候选体？
• RQ2 在z ≈ 8处，NIRCam与MIRI对M* = 10⁶ M☉第一代恒星星系实现5σ连续谱检测所需的积分深度（以AB星等计）是多少？
• RQ3 在JWST光谱观测中，Hβ或He ii λ1640发射线能否被用作确凿区分第一代恒星星系与非第一代恒星星系的依据？
• RQ4 NIRSpec光谱积分需达到多深，才能在z ≈ 8处实现对第一代恒星星系中He ii λ1640发射线的5σ检测？
• RQ5 引力透镜效应或更高的星系固有质量在多大程度上可减少第一代恒星星系探测所需的积分时间？

主要发现

• NIRCam与MIRI测光中F444W–F560W和F560W–F770W颜色裁剪提供了最可靠的z ≈ 8第一代恒星星系候选体识别方法。
• NIRCam需达到约28.5–30.0 AB星等（1–20小时）深度，MIRI F560W需达到约27.5–29.0 AB星等（10–100小时）深度，才能在z ≈ 8处实现对M* = 10⁶ M☉第一代恒星星系的5σ连续谱检测。
• 高等效宽度的He ii λ1640发射线是最可靠的光谱识别特征，需使用NIRSpec/G140M进行10–250小时积分才能实现5σ检测。
• 第一代恒星星系与非第一代恒星星系在Hβ线等效宽度上的差异过小，无法作为实际识别诊断工具。
• 在中等程度透镜效应（μ = 2–3）或更高星系质量（2–3×10⁶ M☉）下，He ii λ1640检测可在中等规模的JWST保证时间观测计划中实现。
• MIRI F770W对第一代恒星星系的探测需要μ ≈ 10的透镜效应或极高质量星系（M* = 10⁷ M☉），因此在无强透镜效应下极具挑战性。