[論文レビュー] ALMA Confirmation of an Obscured Hyperluminous Radio-Loud AGN at $z=6.853$ Associated with a Dusty Starburst in the 1.5 deg$^2$ COSMOS Field

Ryan Endsley, Daniel P. Stark+8 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、COSMOS領域におけるz=6.853のハイパーリュミノスでラジオ発光が強いAGNのALMA確認を報告する。このAGNは、158 μm連続スペクトル輝度が9×10¹² L⊙で、星形成率が1300 M⊙/yrのほこりまみれの星形成バーストを伴う。AGNは強く遮へいされており（τ₉.₇≈2.3）、全波長輝度が約5×10¹³ L⊙に達しており、Eddington限界に近い約1.6×10⁹ M⊙のブラックホールが降着していると示唆され、z≈7における極めて希少で強く遮へいされたクェーサー類縁体である。

ABSTRACT

We present band 6 ALMA observations of a heavily-obscured radio-loud ($L_{1.4\ \mathrm{GHz}}=10^{25.4}$ W Hz$^{-1}$) AGN candidate at $z_\mathrm{phot}=6.83\pm0.06$ found in the 1.5 deg$^2$ COSMOS field. The ALMA data reveal detections of exceptionally strong [CII]158$μ$m ($z_\mathrm{[CII]}=6.8532$) and underlying dust continuum emission from this object (COS-87259), where the [CII] line luminosity, line width, and 158$μ$m continuum luminosity are comparable to that seen from $z\sim7$ sub-mm galaxies and quasar hosts. The 158$μ$m continuum detection suggests a total infrared luminosity of $9 imes10^{12}$ $L_\odot$ with corresponding very large obscured star formation rate (1300 $M_\odot$/yr) and dust mass ($2 imes10^9$ $M_\odot$). The strong break seen between the VIRCam and IRAC photometry perhaps suggests that COS-87259 is an extremely massive reionization era galaxy with $M_\ast\approx1.7 imes10^{11}$ $M_\odot$. Moreover, the MIPS, PACS, and SPIRE detections imply that this object harbors an AGN that is heavily obscured ($τ_{_{\mathrm{9.7μm}}}=2.3$) with a bolometric luminosity of approximately $5 imes10^{13}$ $L_\odot$. Such a very high AGN luminosity suggests this object is powered by an $\approx$1.6 $ imes$ 10$^9$ $M_\odot$ black hole if accreting near the Eddington limit, and is effectively a highly-obscured version of an extremely UV-luminous ($M_{1450}\approx-27.3$) $z\sim7$ quasar. Notably, these $z\sim7$ quasars are an exceedingly rare population ($\sim$0.001 deg$^{-2}$) while COS-87259 was identified over a relatively small field. Future very wide-area surveys with, e.g., Roman and Euclid have the potential to identify many more extremely red yet UV-bright $z\gtrsim7$ objects similar to COS-87259, providing richer insight into the occurrence of intense obscured star formation and supermassive black hole growth among this population.

研究の動機と目的

• 深紫外・広域スクリーニングにおいて、z≈7における極めて希少なハイパーリュミノスでラジオ発光するAGN候補を特定・特徴付けること。
• 1.5 deg²のCOSMOS領域に位置する、強く遮へいされたUV明るい源COS-87259の性質を、多波長フォローアップによって特定すること。
• ALMAと多バンドフォトメトリーを用いて、高赤方偏移AGN-ホスト系における星形成率、ほこり質量、ブラックホール質量を測定すること。
• 深紫外・電波観測を通じて、再電離時代の質量的銀河における遮へいされたAGNと強力な星形成の頻度を評価すること。
• 将来の広域スクリーニング（例：Roman、Euclid）が、より大きな体積範囲で同様の極端な系を検出する可能性を評価すること。

提案手法

• COS-87259のz=6.853における[CII]158 μm線およびほこり連続スペクトルを検出するため、ALMAのバンド6を用いた深紫外観測を実施。
• HST、Spitzer/IRAC、Herschel/PACS、SPIRE、MIPSの多波長フォトメトリーとALMAデータを統合し、スペクトルエネルギー分布（SED）をモデル化。
• SEDフィッティングを用いて、ほこり遮へい（τ₉.₇=2.3）、全赤外輝度（9×10¹² L⊙）、星形成率（1300 M⊙/yr）を推定。
• Eddington限界に近い降着を仮定した場合、全波長輝度（約5×10¹³ L⊙）からブラックホール質量（約1.6×10⁹ M⊙）を推定。
• SEDモデリングによる星形成歴の標準仮定下で星形成質量を評価し、M∗≈1.7×10¹¹ M⊙を算出。ただし、星形成歴に敏感である。
• 既知のクェーサーおよびサブミリ波長銀河の密度と比較することで、このような系の希少性を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 COSMOS領域におけるz≈6.853の強く遮へいされたラジオ発光AGN候補COS-87259の性質は何か？
• RQ2 ALMAおよび遠赤外フォトメトリーから推定される、このAGNのホスト銀河における星形成率とほこり質量は何か？
• RQ3 このAGNを駆動する超大質量ブラックホールの質量は何か？ また、Eddington限界に近い降着を行っているか？
• RQ4 初期宇宙におけるこのようなハイパーリュミノスで遮へいされたAGNと強力な星形成はどれほど一般的か？ これにより再電離時代の銀河進化にどのような示唆があるか？
• RQ5 将来の広域スクリーニング（例：Roman、Euclid）が、より広い領域で同様の極端な系を検出する可能性は何か？

主な発見

• ALMAは、z=6.8532における強い[CII]158 μm線および158 μmほこり連続スペクトルを検出し、質量的でほこりまみれの星形成バーストを伴うホスト銀河の存在を確認した。
• 158 μm連続スペクトル輝度から、全赤外輝度が9×10¹² L⊙、ほこり質量が2×10⁹ M⊙に達すると推定された。
• 星形成率は1300 M⊙/yrと推定され、z≈7のサブミリ波長銀河における極端な星形成バーストと整合的である。
• AGNはτ₉.₇=2.3と強く遮へいされており、全波長輝度が約5×10¹³ L⊙に達しており、Eddington限界に近い降着であればブラックホール質量は約1.6×10⁹ M⊙に相当する。
• 星形成質量の推定値は1.7×10¹¹ M⊙に達し、これは現在のブラックホール-ホスト銀河スケーリング関係を著しく上回っており、初期の極端な成長を示唆する。
• このような系は極めて希少（約0.001 deg⁻²）であるが、将来の広域スクリーニング（例：Roman、Euclid）により、より多くの同種の系が検出可能であり、再電離時代の遮へいされたAGNおよび星形成の包括的な調査が可能になると期待される。