[論文レビュー] ALMA unveils a triple merger and gas exchange in a hyper-luminous radio galaxy at z=2: the Dragonfly Galaxy (II)

Bjorn Emonts, C. De Breuck+10 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 42被引用数 10

ひとこと要約

ALMA観測により、赤方偏移 z=1.92 のハイパーギアラクティックな電波銀河 Dragonfly Galaxy は、星形成が著しく活発で、ガスの再分配が進行しているガス豊富な3重合体であり、分子ガスが最大で約2900 M⊙ yr⁻¹ の割合で移動していることが判明した。これは観測された星形成率約3000 M⊙ yr⁻¹ と同等であり、重力的相互作用や噴流といった動的過程が、高赤方偏移における巨大銀河の星形成を駆動・制御していることを示している。

ABSTRACT

The Dragonfly Galaxy (MRC0152-209), at redshift z~2, is one of the most vigorously star-forming radio galaxies in the Universe. What triggered its activity? We present ALMA Cycle 2 observations of cold molecular CO(6-5) gas and dust, which reveal that this is likely a gas-rich triple merger. It consists of a close double nucleus (separation ~4 kpc) and a weak CO-emitter at ~10 kpc distance, all of which have counterparts in HST/NICMOS imagery. The hyper-luminous starburst and powerful radio-AGN were triggered at this precoalescent stage of the merger. The CO(6-5) traces dense molecular gas in the central region, and complements existing CO(1-0) data, which revealed more widespread tidal debris of cold gas. We also find ~10$^{10}$ M(sun) of molecular gas with enhanced excitation at the highest velocities. At least 20-50% of this high-excitation, high-velocity gas shows kinematics that suggests it is being displaced and redistributed within the merger, although with line-of-sight velocities of |v| < 500 km/s, this gas will probably not escape the system. The processes that drive the redistribution of cold gas are likely related to either the gravitational interaction between two kpc-scale discs, or starburst/AGN-driven outflows. We estimate that the rate at which the molecular gas is redistributed is at least ~1200 +- 500 M(sun)/yr, and could perhaps even approach the star formation rate of ~3000 +- 800 M(sun)/yr. The fact that the gas depletion and gas redistribution timescales are similar implies that dynamical processes can be important in the evolution of massive high-z galaxies.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移におけるハイパーギアラクティックな電波銀河の極端な星形成およびAGN活動を引き起こす冷たい分子ガスの役割を調査すること。
• 赤方偏移 z~2 における巨大銀河の活動ピークの主因がガス豊富な合体であるかどうかを特定すること。
• Dragonfly Galaxyにおけるガス再分配の力学的挙動と、星形成およびフィードバックプロセスとの関連を評価すること。
• 高分解能ALMAデータを用いて、合体前の段階にあるシステムにおける分子ガスの運動学的状態と励起状態を解明すること。
• 観測されたガス運動学的状態と質量輸送を支配するのは、潮汐力かAGN／スターバースト駆動の噴流かを明確にすること。

提案手法

• z=1.92 におけるCO(6-5)線放出およびダスト連続スペクトルを、高分解能（0.3″）でALMA Cycle 2で観測した。
• CO(6-5)データを既存のCO(1-0)データと統合し、高密度な中心ガスと広範囲にわたる潮汐デブリを同時に追跡した。
• 運動論的モデリングを用いて、関係式 Ṁ ≈ M_H2 × v_ejecta × R⁻¹ を用いてガス質量輸送率を推定した。
• Kennicutt-Schmidt則を適用し、赤外線放射率（L_IR ~ 2×10¹³ L⊙）から星形成率を推定した。
• 核間距離4 kpcにおける引力的束縛状態を評価し、脱出速度（約1000 km s⁻¹）を計算した。
• エネルギー収支を評価し、AGNおよび超新星フィードバックが観測された噴流を駆動できるかを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Dragonfly Galaxyにおけるハイパーギアラクティックなスターバーストおよび強力な電波AGNを引き起こす要因として、3重合体の役割は何か？
• RQ2 分子ガスはどのように合体系内で再分配されているのか？その再分配を引き起こすメカニズムは何か？
• RQ3 ガス質量輸送率はどの程度か？また、星形成率やガス消費 timescale と比較するとどうなるか？
• RQ4 観測された高エネルギーのガスは引力的に束縛されているか、それともシステムから脱出しているか？
• RQ5 ガス運動学的状態および励起状態の支配的要因として、潮汐力とAGN／スターバースト駆動の噴流のどちらが優勢か？

主な発見

• Dragonfly Galaxy は、近接した二重核（分離距離 ~4 kpc）と、約10 kpc離れた第三のCO放射成分を持つ3重合体であり、HST/NICMOS像でも明確に可視化されている。
• CO(6-5)は中心部の高密度分子ガスを示しており、CO(1-0)は広範囲にわたる潮汐デブリを明らかにしている。これは、合体の前段階にあることを示している。
• 少なくとも 10¹⁰ M⊙ の分子ガスが励起状態が高まり、高エネルギーの噴流に類似した運動学的状態にあり、ライン・オブ・サイト速度は 500 km s⁻¹ 未満である。
• ガスの再分配速度は最小で約1200 ± 500 M⊙ yr⁻¹、最大で約2900 ± 1600 M⊙ yr⁻¹ に達しており、観測された星形成率（約3000 ± 800 M⊙ yr⁻¹）に近い。
• ガス再分配とガス消費の timescale は同等（約11 Myr）であり、動的過程が高赤方偏移における巨大銀河のバースト的星形成を制御している可能性を示している。
• 観測された高エネルギーのガスは引力的に束縛されている（脱出速度 ~1000 km s⁻¹）ため、将来的な星形成の燃料貯留庫として残る可能性が高い。