DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/stae327
تاريخ النشر: 2024-02-02
المؤلف: R. L. Davies وآخرون
الموضوع الرئيسي: المجرات: التكوين، التطور، الظواهر
نظرة عامة
في هذه الدراسة، نقوم بتحليل طيف الشقوق العميقة JWST/NIRSpec R ∼ 1000 لـ 113 مجرة ضمن نطاق الانزياح الأحمر $1.7 < z < 3.5$، مأخوذة من مسح Blue Jay المكتمل من حيث الكتلة، لاستكشاف انتشار وخصائص تدفقات الغاز المحايد خلال الظهيرة الكونية. نجد أن 46% من المجرات الضخمة (مع $\log M_* / M > 10$) تظهر امتصاصًا زائدًا لـ Na I D، مما يشير إلى تدفقات غاز محايد كبيرة، مع ملاحظة معدلات مماثلة في كل من المجرات النجمية والمجمدّة. ومن الجدير بالذكر أن نصف هذه الملفات الامتصاصية قد تم إزاحتها نحو الأزرق بمقدار لا يقل عن 100 كم/ث، مما يوفر دليلًا واضحًا على التدفقات.
تظهر المجرات التي تحتوي على امتصاص بارز لـ Na I D نسب خطوط انبعاث معززة تشير إلى تأين AGN. نحن نقدر معدلات تدفق الكتلة تتراوح من 3 إلى 100 M$_\odot$ yr$^{-1}$، والتي تتقارب أو تتجاوز معدلات تدفق الغاز المؤين للمجرات ذات الكتلة النجمية والانزياح الأحمر المماثل. تظهر التدفقات من الأنظمة المجمدة (مع $\log(\text{sSFR}) \leq -10$) عوامل تحميل الكتلة تتراوح بين 4 و 360، مع معدلات تدفق الطاقة والزخم التي تتجاوز تلك المتوقعة من نشاط المستعرات العظمى. وهذا يشير إلى أن هذه المجرات قد تمر بمرحلة نفخ سريعة مدفوعة بنشاط AGN، مما يدل على أن طرد الغاز البارد المدفوع بـ AGN قد يلعب دورًا حاسمًا في التجميد السريع لتشكيل النجوم عند $z \sim 2$.
النتائج
تقدم نتائج الدراسة خصائص مقاسة لملفات امتصاص Na ID، كاشفة عن كتل التدفق التي تتراوح من $\log(M_{\text{out}}/M) = 7.0$ إلى $8.1$ (الوسيط $7.6$) ومعدلات تدفق الكتلة التي تمتد من $\dot{M}_{\text{out}} = 3$ إلى $100 \, M_{\odot} \, \text{yr}^{-1}$ (الوسيط $17 \, M_{\odot} \, \text{yr}^{-1}$). تتماشى هذه النتائج مع خصائص التدفق المحايد التي لوحظت في المجرات النجمية ومضيفي AGN في الكون المحلي وعند الانزياح الأحمر $z \sim 2$. ومن الجدير بالذكر أن التقديرات تستند إلى افتراضات محافظة بشأن مدى التدفق وتأين Na، مما يشير إلى أن معدلات التدفق الفعلية قد تكون أعلى بمقدار ترتيب من حيث الحجم. تسلط الدراسة الضوء على أن معدلات التدفق المحايد يمكن أن تتجاوز معدلات التدفق المؤين بمقدار يقارب 100 في بعض المجرات، مما يبرز ضرورة النظر في المرحلة المحايدة لفهم شامل للتغذية الراجعة الطاردة.
يكشف التحليل عن عدم وجود علاقة بين معدلات تدفق الغاز المحايد ومعدلات تشكيل النجوم في المجرات (SFR)، مما يؤدي إلى اختلافات كبيرة في عوامل تحميل الكتلة ($\eta$) بين السكان النجمين والمجمدين. تظهر التدفقات من المجرات النجمية النشطة عوامل تحميل كتلة تبلغ $\eta \approx 1$، متوافقة مع التوقعات لتدفقات مدفوعة بتشكيل النجوم، بينما تظهر المجرات ذات SFR المنخفض عوامل تتراوح من 4 إلى 360. تفترض الدراسة أن عوامل تحميل الكتلة العالية في المجرات ذات SFR المنخفض قد تكون نتيجة لتدفقات أُطلقت خلال مراحل انفجار النجوم الأخيرة، كما يتضح من خطوط الامتصاص القوية لـ Balmer. علاوة على ذلك، تشير عوامل تحميل الكتلة المحسوبة إلى أن تشكيل النجوم في الماضي لم يكن قادرًا على تشغيل هذه التدفقات، مما يوفر دليلًا إضافيًا على نشاط AGN كالقوة الدافعة وراءها.
المناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون الملاحظات وعمليات تقليل البيانات من برنامج JWST الدورة 1 “Blue Jay”، الذي ركز على الحصول على أطياف R=1000 لـ 151 مجرة في حقل COSMOS. تشمل العينة مجموعة مختارة من المجرات من حيث الكتلة في الظهيرة الكونية (الانزياحات الحمراء بين 1.7 و 3.5) وتهدف إلى التحقيق في تدفقات الغاز المحايد التي تتبعها امتصاص Na I D بين النجوم. تضمنت عملية تقليل البيانات تعديلًا لخط أنابيب معايرة علوم JWST، مع استخراج مثالي لأطياف المجرات وطرح خلفية بعناية. تتكون العينة النهائية من 113 مجرة بعد استبعاد تلك التي تحتوي على بيانات طيفية غير كافية أو ميزات قابلة للتحديد.
يستخدم المؤلفون كود PROSPECTOR لتناسب تجمع النجوم، الذي يقوم بنمذجة الاستمرارية النجمية ويأخذ في الاعتبار امتصاص الغبار. يجدون أن امتصاص Na I D أقوى بكثير مما كان متوقعًا من مساهمات النجوم وحدها، مما يشير إلى وجود تدفقات غاز محايد. يصنف التحليل ملفات امتصاص Na I D بناءً على تحولات السرعة، كاشفًا أن 27% من المجرات تظهر امتصاصًا زائدًا، بشكل أساسي في المجرات الضخمة. تسلط الدراسة الضوء على توزيع ثنائي محتمل لقوة امتصاص Na I D وتقترح أن التدفقات المرصودة قد تكون مرتبطة بخصائص المجرة، مثل الكتلة النجمية ومعدلات تشكيل النجوم المحددة، مع ملاحظة أيضًا تأثير درع الغبار في المجرات ذات الكتلة المنخفضة.
DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/stae327
Publication Date: 2024-02-02
Author(s): R. L. Davies et al.
Primary Topic: Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena
Overview
In this study, we analyze deep JWST/NIRSpec R ∼ 1000 slit spectra of 113 galaxies within the redshift range of $1.7 < z < 3.5$, drawn from the mass-complete Blue Jay survey, to explore the prevalence and characteristics of neutral gas outflows during cosmic noon. We find that 46% of massive galaxies (with $\log M_* / M > 10$) exhibit excess Na I D absorption, indicating significant neutral gas outflows, with similar rates observed in both star-forming and quenching galaxies. Notably, half of these absorption profiles are blueshifted by at least 100 km/s, providing clear evidence of outflows.
Galaxies with pronounced Na I D absorption display enhanced emission line ratios indicative of AGN ionization. We estimate mass outflow rates ranging from 3 to 100 M$_\odot$ yr$^{-1}$, which are comparable to or exceed the ionized gas outflow rates for galaxies of similar stellar mass and redshift. The outflows from quenching systems (with $\log(\text{sSFR}) \leq -10$) exhibit mass loading factors between 4 and 360, with energy and momentum outflow rates surpassing those expected from supernova activity. This suggests that these galaxies may be undergoing a rapid blowout phase driven by AGN activity, indicating that AGN-driven ejection of cold gas could play a crucial role in the rapid quenching of star formation at $z \sim 2$.
Results
The results of the study present measured properties of Na ID absorption profiles, revealing outflow masses ranging from $\log(M_{\text{out}}/M) = 7.0$ to $8.1$ (median $7.6$) and mass outflow rates spanning $\dot{M}_{\text{out}} = 3$ to $100 \, M_{\odot} \, \text{yr}^{-1}$ (median $17 \, M_{\odot} \, \text{yr}^{-1}$). These findings align with neutral outflow properties observed in star-forming and AGN host galaxies in the local Universe and at redshift $z \sim 2$. Notably, the estimates are based on conservative assumptions regarding outflow extent and Na ionization, suggesting that actual outflow rates could be an order of magnitude higher. The study highlights that neutral outflow rates can exceed ionized outflow rates by a factor of approximately 100 in certain galaxies, underscoring the necessity of considering the neutral phase for a comprehensive understanding of ejective feedback.
The analysis reveals no correlation between neutral gas outflow rates and galaxy star formation rates (SFR), leading to significant differences in mass-loading factors ($\eta$) between star-forming and quenching populations. Outflows from actively star-forming galaxies exhibit mass-loading factors of $\eta \approx 1$, consistent with expectations for star-formation-driven outflows, while lower SFR galaxies show factors ranging from 4 to 360. The study posits that the high mass-loading factors in low SFR galaxies may result from outflows launched during recent starburst phases, as indicated by strong Balmer absorption lines. Furthermore, the computed mass-loading factors suggest that past star formation could not have powered these outflows, providing additional evidence for AGN activity as the driving force behind them.
Discussion
In this section, the authors discuss the observations and data reduction processes from the JWST Cycle 1 program “Blue Jay,” which focused on obtaining R=1000 spectra of 151 galaxies in the COSMOS field. The sample includes a mass-selected group of galaxies at cosmic noon (redshifts between 1.7 and 3.5) and aims to investigate neutral gas outflows traced by interstellar Na I D absorption. The data reduction involved a modified JWST Science Calibration Pipeline, with optimal extraction of galaxy spectra and careful background subtraction. The final sample consists of 113 galaxies after excluding those with inadequate spectral data or identifiable features.
The authors employ the PROSPECTOR code for stellar population fitting, which models the stellar continuum and accounts for dust absorption. They find that Na I D absorption is significantly stronger than expected from stellar contributions alone, indicating the presence of neutral gas outflows. The analysis categorizes Na I D absorption profiles based on velocity shifts, revealing that 27% of the galaxies exhibit excess absorption, predominantly in massive galaxies. The study highlights a potential bimodal distribution of Na I D absorption strengths and suggests that the observed outflows may be linked to galaxy properties, such as stellar mass and specific star formation rates, while also noting the influence of dust shielding in low-mass galaxies.