2024 journal article
EIGER. VI. The Correlation Function, Host Halo Mass, and Duty Cycle of Luminous Quasars at <i>z</i> ≳ 6
ASTROPHYSICAL JOURNAL, 974(2).
open access via doi.org (publisher)
Source: Web Of Science
Added: November 4, 2024
Abstract We expect luminous ( M 1450 ≲ −26.5) high-redshift quasars to trace the highest-density peaks in the early Universe. Here, we present observations of four z ≳ 6 quasar fields using JWST/NIRCam in the imaging and wide-field slitless spectroscopy mode and report a wide range in the number of detected [O iii ]-emitting galaxies in the quasars’ environments, ranging between a density enhancement of δ ≈ 65 within a 2 cMpc radius—one of the largest protoclusters during the Epoch of Reionization discovered to date—to a density contrast consistent with zero, indicating the presence of a UV-luminous quasar in a region comparable to the average density of the Universe. By measuring the two-point cross-correlation function of quasars and their surrounding galaxies, as well as the galaxy autocorrelation function, we infer a correlation length of quasars at 〈 z 〉 = 6.25 of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mi>r</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>QQ</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mn>22.0</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>2.9</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>3.0</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:mi>cMpc</mml:mi> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>h</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:math> , while we obtain a correlation length of the [O iii ]-emitting galaxies of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mi>r</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>GG</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>4.1</mml:mn> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>0.3</mml:mn> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:mi>cMpc</mml:mi> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>h</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:math> . By comparing the correlation functions to dark-matter-only simulations we estimate the minimum mass of the quasars’ host dark matter halos to be <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>log</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>10</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo stretchy="false">(</mml:mo> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>M</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>halo</mml:mi> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mi>min</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="true">/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>M</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⊙</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo stretchy="false">)</mml:mo> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mn>12.43</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>0.15</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>0.13</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> (and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>log</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>10</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo stretchy="false">(</mml:mo> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mi>M</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>halo</mml:mi> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mi>min</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="false">[</mml:mo> <mml:mi>OIII</mml:mi> <mml:mo stretchy="false">]</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="true">/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>M</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>⊙</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo stretchy="false">)</mml:mo> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mn>10.56</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>0.03</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>0.05</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> for the [O iii ] emitters), indicating that (a) luminous quasars do not necessarily reside within the most overdense regions in the early Universe, and that (b) the UV-luminous duty cycle of quasar activity at these redshifts is f duty ≪ 1. Such short quasar activity timescales challenge our understanding of early supermassive black hole growth and provide evidence for highly dust-obscured growth phases or episodic, radiatively inefficient accretion rates.