[論文レビュー] A search for clusters at high redshift - IV. Spectroscopy of H-alpha emitters in a proto-cluster at z=2.16

J. Kurk, L. Pentericci+3 more|ArXiv.org|Oct 7, 2004

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 53

ひとこと要約

本研究では、VLT/ISAAC赤外分光計を用いて、電波銀河PKS 1138−262の周囲のプロトクラスタで、z ≈ 2.16における9つのHα発光銀河を分光的に確認した。低速度分散（360 km s⁻¹）と一貫したHα赤方偏移は、それらがプロトクラスタに物理的に関連していることを確認し、類似赤方偏移におけるHDF-Nと比較して星形成率密度が5–10倍高いことを示した。発光を駆動するのは、若年（≤100 Myr）、中程度金属量を有する星形成銀河の星族である。

ABSTRACT

Radio galaxy PKS 1138-262 is a massive galaxy at z=2.16, located in a dense environment. We have found an overdensity of Ly-alpha emitting galaxies in this field, consistent with a proto-cluster structure associated with the radio galaxy. Recently, we have discovered forty candidate H-alpha emitters by their excess near infrared narrow band flux. Here, we present infrared spectroscopy of nine of the brightest candidate H-alpha emitters. All these candidates show an emission line at the expected wavelength. The identification of three of these lines with H-alpha is confirmed by accompanying [NII] emission. The spectra of the other candidates are consistent with H-alpha emission at z~2.15, one being a QSO as indicated by the broadness of its emission line. The velocity dispersion of the emitters (360 km/s) is significantly smaller than that of the narrow band filter used for their selection (1600 km/s). We therefore conclude that the emitters are associated with the radio galaxy. The star formation rates (SFRs) deduced from the H-alpha flux are in the range 6-44 M_solar/yr and the SFR density observed is 5-10 times higher than in the HDF-N at z=2.23. The properties of the narrow emission lines indicate that the emitters are powered by star formation and contain very young (< 100 Myr) stellar populations with moderately high metallicities.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移のプロトクラスタ環境、特に電波銀河PKS 1138−262の周囲における候補Hα発光体の赤方偏移と物理的関連性を確認すること。
• Hα発光体の速度分散を測定し、動的整合性とプロトクラスタ構造への関連性を評価すること。
• 発光線診断を用いて発光体の星形成率および物理的条件（金属量、年齢）を特定すること。
• HDF-Nにおける星形成率密度と比較し、z ≈ 2.16における環境依存的星形成強化を評価すること。
• HαとAGNまたは衝撃励起の区別に役立つ[N II]/Hα比と線幅を用いて、発光線の励起機構の性質を調査すること。

提案手法

• z ≈ 2.16におけるHα発光体を特定するために、12.5 arcmin²の領域でKsバンドおよび中心波長2.07 μm、FWHM 0.026 μmの幅狭帯域フィルタを用いた近赤外画像撮影を実施。
• 静止系等価幅が25 Å以上、Hα放射が3.5×10⁻¹⁷ erg cm⁻² s⁻¹以上の40個の候補Hα発光体を選定。特に電波銀河に近接し、分光観測に適したものを優先。
• VLT（UT1）のISAAC装置を用いて、深さのある赤外分光観測を実施。1″×120″のスリットと中分解能グレーティング（分散：1.23 Å/pixel、分解能～2600、FWHM～7 Å）を用いた。
• 標準的手順によるデータ還元：ペアフレーム差分法、OHスカイラインを用いた波長校正、異なる空気質量で観測した標準星を用いた大気吸収補正。
• B1型星（Hip043868）をフラックス基準として用い、25,500 Kの黒体スペクトルをKマグニチュードに正規化して、フラックスキャリブレーションを実施。
• z ≈ 2.16におけるHαの期待波長と一致する発光線を特定。[N II]二重線の検出と[N II]/Hα比分析により、3つの発光体がHαとして明確に同定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z ≈ 2.16における候補Hα発光体は、PKS 1138−262の周囲のプロトクラスタと物理的に関連しているか？
• RQ2 Hα発光体の速度分散はどの程度で、それが単一の過密度構造内での整合性を支持するか？
• RQ3 このプロトクラスタ内のHα発光銀河の星形成率および物理的条件（金属量、年齢）は何か？
• RQ4 このプロトクラスタにおける星形成率密度は、z ≈ 2.23におけるHDF-Nと比較してどの程度か？
• RQ5 検出された発光線の主な励起機構（星形成 vs. AGN）は何か？

主な発見

• 観測された9つのHα候補すべてが、z ≈ 2.16における期待波長で発光線を示し、そのうち3つは6583 Åにおける[Ne II]発光を伴い、Hαとして明確に確認された。
• Hα発光体の速度分散は360 km s⁻¹であり、幅狭帯域フィルタの幅1600 km s⁻¹よりも著しく小さいため、プロトクラスタへの物理的関連性が裏付けられた。
• Hα放射から導かれた星形成率は6～44 M⊙ yr⁻¹の範囲にあり、HDF-N（z ≈ 2.23）と比較して星形成率密度が5–10倍高い。
• 3つの発光体の[N II]/Hα比から、金属量12 + log(O/H) ≈ 8.7が推定され、星形成銀河としては中程度の高い金属量と整合的である。
• 高い静止系等価幅（最大1350 Å）および狭い線幅（FWHM：40–360 km s⁻¹、平均190 km s⁻¹）は、100 Myr未満の若年星族が継続的または最近の星形成を示していることを示唆する。
• 1つの対象は広帯域発光線を示し、QSOとして明確に同定された。別の対象は2つの明確な発光線を示し、1つの銀河内に2つの独立した発光線領域がある可能性を示した。