[论文解读] Stellar- and AGN-Driven Outflows in JWST Galaxies at z=3-9: More Frequent, Wider Opening Angles, and Mostly Bounded

Yi Xu, Masami Ouchi+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究利用詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）的NIRSpec和NIRCam WFSS数据，分析了130个红移z=3–9的高红移星系中的电离外流，识别出30个星系具有宽Hα和[Oiii]发射线，表明存在外流。研究发现这些外流频繁出现，具有较宽的张角（>45°），且大多为束缚型（喷泉状），其速度不足以逃逸星系势阱，表明早期星系中普遍存在球形反馈。

ABSTRACT

We study outflows in 130 galaxies with -221000 km s$^{-1}$ while one galaxy is identified as a Type-2 AGN by high ionization emission lines. With the velocity shift and line widths of the outflow broad lines, we obtain ~80-500 km s$^{-1}$ for the outflow velocities. We find that the outflow velocities are slower than low-z galaxies with similar SFRs, which may be explained by the low stellar masses of high-z galaxies. The outflow velocities of AGNs are large but not significantly different from the others. Interestingly, these outflow velocities are typically not high enough to escape from the galactic potentials, possibly suggesting fountain-type outflows. We estimate mass loading factors $η$ to be 0.1-1 that are not particularly large, but comparable with those of z~1 outflows. The large fraction of galaxies with outflows (30% with high resolution data) provides constraints on outflow parameters, suggesting a wide opening angle of >45 deg and a large duty-cycle of >30%, which gives a picture of more frequent and spherical outflows in high-z galaxies.

研究动机与目标

• 利用JWST数据研究高红移星系（z=3–9）中电离外流的普遍性及其特性。
• 确定驱动外流的反馈机制是恒星还是活动星系核（AGN），并评估其在早期星系中的效率。
• 利用光谱特征约束外流的几何形态（张角）和持续时间。
• 将外流速度和质量载荷因子与低红移星系进行比较，以评估反馈的演化。
• 检验高红移星系中外流是否能够逃逸星系势阱，或是否大多被束缚（喷泉状）。

提出的方法

• 分析130个星系（−22 < MUV < −16，z=3–9）的JWST NIRSpec和NIRCam WFSS数据中，处于Rest-frame光学波段的发射线（Hα和[Oiii]）。
• 通过Hα和[Oiii]线中具有FWHM ≈ 200–700 km s⁻¹的展宽发射线成分识别外流特征。
• 通过展宽成分相对于系统红移的视线速度偏移估算外流速度。
• 利用外流速度、星形成率（SFR）和恒星质量计算质量载荷因子（η）。
• 利用可检测到外流的星系比例及其动力学特性，推断平均张角和持续时间。
• 将外流特性与低红移星系及模拟结果进行比较，评估逃逸潜力和反馈效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 JWST光谱观测揭示的高红移星系（z=3–9）中外流的普遍性如何？
• RQ2 外流的典型速度是多少？与逃逸速度及低红移对应星系相比有何差异？
• RQ3 早期星系中外流的几何形态（张角）和持续时间如何？
• RQ4 外流是由恒星形成还是AGN活动驱动的？两者的特性有何不同？
• RQ5 外流能否逃逸星系势阱，还是大多被束缚（喷泉状）？这对反馈效率有何含义？

主要发现

• 在z=3–9的130个星系中，30个（23%）表现出展宽发射线成分（FWHM ≈ 200–700 km s⁻¹），表明存在电离外流。
• 外流速度测量值为∼80–500 km s⁻¹，低于具有相似SFR的低红移星系中的速度，可能由于高红移星系中恒星质量较小。
• AGN驱动的外流（4个Type-1，1个Type-2）速度与恒星形成驱动的外流相当，整体速度无显著差异。
• 外流速度通常不足以逃逸星系势阱，表明大多数外流为束缚型，与喷泉状反馈一致。
• 质量载荷因子η估计为0.1–1，与z∼1时观测到的值相当，表明反馈效率中等。
• 外流星系的高比例（高分辨率数据中30%）表明张角≥45°，持续时间≥30%，表明早期星系中频繁出现球形外流。