[论文解读] Redshift Evolution of the Electron Density in the ISM at $z\sim 0-9$ Uncovered with JWST/NIRSpec Spectra and Line-Spread Function Determinations

Yuki Isobe, Masami Ouchi+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2023

Astronomy and Astrophysical Research被引用 7

一句话总结

这篇论文通过在14个 JWST/NIRSpec 星系（z=4.02–8.68）中利用 [O II] 双线测量电子密度 ne，发现 ne ≳ 300 cm−3（在固定 M*、SFR 和 sSFR 的低-z 星系中显著更高），并显示 ne 随红移增加，大致可用 ne ∝ (1+z)^p 描述，p 约为 1–2。

ABSTRACT

We present electron densities $n_{ m e}$ in the inter-stellar medium (ISM) of star-forming galaxies at $z=4-9$ observed by the JWST/NIRSpec GLASS, ERO, and CEERS programs. We carefully evaluate line-spread functions of the NIRSpec instrument as a function of wavelength with the calibration data of a planetary nebula taken onboard, and obtain secure [OII]$λλ$3726,3729 doublet fluxes for 14 galaxies at $z=4.02-8.68$ falling on the star-formation main sequence with the NIRSpec high and medium resolution spectra. We thus derive the electron densities of singly-ionized oxygen nebulae with the standard $n_{ m e}$ indicator of [OII] doublet, and find that the electron densities of the $z=4-9$ galaxies are $n_{ m e}\gtrsim 300$ cm$^{-3}$ significantly higher than those of low-$z$ galaxies at a given stellar mass, star-formation rate (SFR), and specific SFR. Interestingly, typical electron densities of singly ionized nebulae increase from $z=0$ to $z=1-3$ and $z=4-9$, which is approximated by the evolutionary relation of $n_{ m e}\propto(1+z)^{p}$ with $p\sim 1-2$. Although it is not obvious that the ISM property of $n_{ m e}$ is influenced by global galaxy properties, these results may suggest that nebula densities of high-$z$ galaxies are generally high due to the compact morphologies of high-$z$ galaxies evolving by $r_{ m e}$ approximately proportional to $(1+z)^{-1}$ ($r_{ m vir} \propto (1+z)^{-1}$) for a given stellar (halo) mass whose inverse square corresponds to the $p\sim 2$ evolutionary relation. The $p\sim 1-2$ evolutionary relation can be explained by a combination of the compact morphology and the reduction of $n_{ m e}$ due to the high electron temperature of the high-$z$ metal poor nebulae.

研究动机与目标

• 理解从 z≈0 到 z≈9，恒星形成星系的 ISM 电子密度如何演化的动机。
• 使用 JWST/NIRSpec 数据的线扩展函数判定，提供稳健的 ne(O II) 测量。
• 评估高 redshift 时 ne 是否依赖于星系的全局性质（恒星质量、SFR、sSFR）。
• 量化 ne 的红shift 演化并与低-z 趋势比较，以解读早期 ISM 条件。

提出的方法

• 为 JWST/NIRSpec 推导 LSF，使用行星状星云来拆分 [O II] 3726, 3729 双线。
• 通过拟合与 LSF 共轭的高斯曲线到 [O III] 5007（以及 4959），以约束固有线宽 σ_int。
• 对 [O II] 3726、3729 和 LSF 进行三高斯拟合，以获得被拆解的 [O II] 通量。
• 使用 PyNeb 将 [O II] 双线比转换为电子密度 ne，若有 Te 值则采用 Te，否则 Te ≈ 15,000 K。
• 对光谱误差进行蒙特卡洛模拟以估计 ne 的不确定性。
• 通过对比模仿光谱在 R≈1000 与 R≈2700 数据的恢复，交叉检验 ne 估计的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高-z 恒星形成星系中，通过 [O II] 双线测得的电子密度是多少？
• RQ2 z≈4–9 的 ne 值与 z≈0–3 的同等质量或同样在星形成的星系相比如何？
• RQ3 在高红移时 ne 是否对恒星质量、SFR 或 sSFR 有显著依赖？
• RQ4 ne 的红shift 演化是如何的，是否可以用 ne ∝ (1+z)^p 描述？
• RQ5 观察到的 ne 演化可以用哪些物理解释来解释（如形态、温度等）？

主要发现

• 在 z=4.02–8.68 的 14 颗 JWST 星系中 ne ≳ 300 cm−3，显著高于在固定 M*、SFR 和 sSFR 的低-z 星系。
• 中位 ne 值从 z≈0 上升到 z≈1–3，再到 z≈4–9，呈现随红shift 的趋势近似为 ne ∝ (1+z)^p，p 约为 1–2。
• 在高-z 的高密度可能与紧凑的星系形态和金属贫乏星云中的更高电子温度，或两者结合有关。
• 与外推的低-z 趋势比较，说明高-z 的 ne 演化介于 ne ∝ (1+z) 与 ne ∝ (1+z)^2 的预期之间，p 的范围约为 1–2。
• 该研究仔细考虑了仪器线扩展效应，并在可用 Te 测量时用于约束 ne。