[论文解读] UNCOVER: A NIRSpec Census of Lensed Galaxies at z=8.50-13.08 Probing a High AGN Fraction and Ionized Bubbles in the Shadow

Seiji Fujimoto, Bingjie Wang+34 more|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 18

一句话总结

JWST/NIRSpec Prism 光谱对 Abell 2744 后方的放大星系进行观测，证实了 z≥8.5 的 10 个星系，揭示存在不可忽略的 AGN 比例的证据，并在 z=8.5 处识别出一个巨大的离子化气泡，表明 AGN 对再电离有贡献。

ABSTRACT

We present JWST NIRSpec prism spectroscopy of gravitationally lensed galaxies at $z\gtrsim9$ found behind the massive galaxy cluster Abell 2744 in the UNCOVER Cycle 1 Treasury Program. We confirm the source redshift via emission lines and/or the Ly$α$ break feature for ten galaxies at z=8.50-13.08 down to $M_{ m UV}=-17.3$. We achieve a high confirmation rate of 100\% for $z>9$ candidates reported in Atek et al. (2023). Using six sources with multiple emission line detections, we find that the offset of the redshift estimates between the lines and the Ly$α$ break alone with prism can be as large as $\pm0.2$, raising caution in designing future follow-up spectroscopy for the break-only sources with ALMA. With spec-$z$ confirmed sources in UNCOVER and the literature, we derive lower limits on the rest-frame ultraviolet (UV) luminosity function (LF) at $z\simeq9$-12 and find these lower limits to be consistent with recent photometric measurements. We identify at least two unambiguous and several possible active galactic nucleus (AGN) systems based on X-ray emission, broad line (BL) H$β$, high ionization line (e.g., NIV]1487, CIV1549) detections, and excess in UVLF. This requires the AGN LFs at $z\simeq$ 9-10 to be comparable or even higher than the X-ray AGN LF estimated at $z\sim6$ and indicates a plausible cause of the high abundance of $z>9$ galaxies claimed in recent photometric studies may be AGNs. One UV-luminous source is confirmed at the same redshift as a dusty BL AGN at $z=8.50$ with a physical separation of 380 kpc in the source plane. These two sources show blueward Ly$α$ line or continuum emission, suggesting that they reside in the same ionized bubble with a radius of $7.69\pm0.18$ pMpc. Our results imply that AGNs have a non-negligible contribution to cosmic reionization.

研究动机与目标

• 使用 JWST NIRSpec Prism 光谱学对 Abell 2744 背后的 z≥8.5 星系候选体进行红shift 确认。
• 在具有透镜放大效应的情况下，使用光谱学红移来评估 z≈9–12 的 UV 光度函数，包含较 faint 的源。
• 识别 AGN 特征（宽线、强高离子化线、X 射线关联）并评估其对再电离的影响。
• 调查从 Lyα 坊行为与线发射推断的高红移源周围的离子化气泡的存在及其性质。

提出的方法

• 使用 UNCOVER 的 JWST NIRCam 图像选择具有透镜放大效应的 z≥9 星系候选体。
• 在七个 MSA 掩模上进行 NIRSpec prism MOS 观测，以获得多个高 z 候选体的低分辨率光谱。
• 用 JWST 流程与 msaexp 进行数据降噪，应用自定义校正，并利用逆方差加权提取一维光谱。
• 结合 z=0.1–20 范围的 eazy 基础模板拟合，确定 z_spec，同时考虑随红移变化的 SFH、尘埃衰减和 IGM 抑制羽翼。
• 识别 Lyα 断裂和微弱发射线（SNR ≥ 2.5）以确保红移；比较 z_line 与 z_break 以对多线源获得一致的红移约束。

Figure 1: NIRCam RGB (R: F444W, G: F356W, B: F277W) map of A2744 taken in UNCOVER (Bezanson et al. 2022 ) . The white-shaded region indicates the highly magnified area with magnifications of $\geq 2$ (Furtak et al. 2023c ) . The yellow squares show the positions of the 10 sources that are spectrosco

实验结果

研究问题

• RQ1 在 UNCOVER 中 Abell 2744 背后 z≥8.5 星系的光谱红移分布是什么？
• RQ2 使用光谱确认的源（包括被透镜放大的、faint 的星系）时，z≈9–12 的 UV 光度函数是多少？
• RQ3 高红移源是否显示出 AGN 活动的迹象，以及这对再电离时期的电离预算有何影响？
• RQ4 是否存在围绕近距离高 z 源的巨型离子化气泡的证据，这对它们的电离源意味着什么？

主要发现

• 十个星系在 z≥8.5 已经通过光谱确认，在经过透镜放大后 UV 光度介于 M_UV≈−17.3。
• 基于 X 射线、宽 Hβ 和高离子化线（如 N IV]、C IV、He II）的证据，至少识别出两个明确的 AGN 体系，表明 z≈9–10 的 AGN 光度函数可能与 z∼6 的 X 射线 AGN LF 相当或更高。
• 其中一个在 z=8.50 的 UV 显著源与在源平面上距离 380 kpc 的一个宽线 AGN 在同一物理系统内，它们在 Lyα 蓝侧显示出发射，表明存在半径为 7.69±0.18 pMpc 的巨大离子化气泡。
• 若干源展现出异常高的 [O III] 5008/Hβ 比值（例如 >10，最高达到 16.3+21.8−5.9），这可能指示 AGN 活动或强烈辐射场；在各种背景扣除方法下，一些结论仍然成立。
• 对于 A23 的四个源，z_phot–z_spec 的比较显示在 ~1–2σ 的一致性范围内，且 z_phot 的估计通常并未像某些先前研究那样显著高估红移；折断和线条对大多数源给出一致的红移约束。
• 对于多线源，z_line 与 z_break 的红移偏移很小（Δz′ ≈ −0.2 到 +0.2），这意味着基于 Lyα 断裂的红移估计存在大约 ±0.2 的不确定性。

Figure 2: Zoom-in $3\mbox{\kern 0.55974pt.\kern-4.09024pt\arcsec\kern-0.43057pt}6\times 3\mbox{\kern 0.55974pt.\kern-4.09024pt\arcsec\kern-0.43057pt}6$ NIRCam RGB (R: F444W, G: F356W, B: F277W) cutouts of the 10 sources whose spec- $z$ are successfully confirmed. The rectangles show the shutter conf