利用 JWST/NIRSpec 光谱与线展宽函数测定揭示 $z\sim 0-9$ 星系际介质电子密度的红移演化

我们给出了由 JWST/NIRSpec GLASS、ERO 和 CEERS 项目观测到的 $z=4-9$ 恒星形成星系星际介质中的电子密度 $n_{\rm e}$。我们利用随载的行星状星云校准数据，仔细评估了 NIRSpec 仪器线展宽函数随波长的变化，并利用 NIRSpec 高分辨率和中分辨率光谱获得了位于 $z=4.02-8.68$、处于恒星形成主序上的 14 个星系可靠的 [OII]$\lambda\lambda$3726,3729 双线流量。因此，我们利用 [OII] 双线的标准 $n_{\rm e}$ 指示器导出了单电离氧星云的电子密度，发现 $z=4-9$ 星系的电子密度为 $n_{\rm e}\gtrsim 300$ cm$^{-3}$，在给定恒星质量、恒星形成率和比恒星形成率下显著高于低红移星系。有趣的是，单电离星云的典型电子密度从 $z=0$ 增加到 $z=1-3$ 和 $z=4-9$，这可近似由演化关系 $n_{\rm e}\propto(1+z)^{p}$（其中 $p\sim 1-2$）描述。尽管星际介质的 $n_{\rm e}$ 性质是否受全局星系性质影响尚不明显，但这些结果可能表明，高红移星系的星云密度普遍较高，这是由于高红移星系紧凑形态的演化表现为给定恒星（晕）质量下 $r_{\rm e}$ 近似正比于 $(1+z)^{-1}$（$r_{\rm vir} \propto (1+z)^{-1}$），其平方反比对应于 $p\sim 2$ 的演化关系。$p\sim 1-2$ 的演化关系可以通过紧凑形态与高红移贫金属星云高电子温度导致的 $n_{\rm e}$ 降低相结合来解释。