[論文レビュー] First detections of the [NII] 122 {\mu}m line at z>0.04: Demonstrating the utility of the line for studying galaxies at high redshift

Carl Ferkinhoff, Drew Brisbin+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2011

Spectroscopy and Laser Applications被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、カリフォルニア工科大学のサブミリ波長望遠鏡（CSO）に搭載されたZEUS機器を用いて、赤方偏移z > 0.04の2つの遠方銀河、SMMJ02399-0136およびCloverleaf QSOからの[ NII ] 122 μm線の最初の高赤方偏移検出を報告する。線の輝度比は2.1×10⁻³から7.0×10⁻⁴の範囲にのり、近傍銀河のそれよりも顕著に高く、これは分子ガス質量の8–17％に相当する高いイオン化ガス分率を示しており、[OIII]/[NII]比はO9.5星またはlog(U) ≈ -3.3から-4.0のAGN NLRによるイオン化を示唆している。観測データに最もよく合うのは、星形成とAGNの両方の寄与を組み合わせた複合モデルである。

ABSTRACT

We report the first detections of the [NII] 122 {\mu}m line from a high redshift galaxy. The line was strongly (> 6{\sigma}) detected from SMMJ02399-0136, and H1413+117 (the Cloverleaf QSO) using the Redshift(z) and Early Universe Spectrometer (ZEUS) on the CSO. The lines from both sources are quite bright with line-to-FIR continuum luminosity ratios that are ~7.0 imes10^{-4} (Cloverleaf) and 2.1 imes10^{-3} (SMMJ02399). With ratios 2-10 times larger than the average value for nearby galaxies, neither source exhibits the line-to-continuum deficits seen in nearby sources. The line strengths also indicate large ionized gas fractions, ~8 to 17% of the molecular gas mass. The [OIII]/[NII] line ratio is very sensitive to the effective temperature of ionizing stars and the ionization parameter for emission arising in the narrow-line region (NLR) of an AGN. Using our previous detection of the [OIII] 88 {\mu}m line, the [OIII]/[NII] line ratio for SMMJ02399-0136 indicates the dominant source of the line emission is either stellar HII regions ionized by O9.5 stars, or the NLR of the AGN with ionization parameter log(U) = -3.3 to -4.0. A composite system, where 30 to 50% of the FIR lines arise in the NLR also matches the data. The Cloverleaf is best modeled by a superposition of ~200 M82 like starbursts accounting for all of the FIR emission and 43% of the [NII] line. The remainder may come from the NLR. This work demonstrates the utility of the [NII] and [OIII] lines in constraining properties of the ionized medium.

研究の動機と目的

• 赤方偏移z > 0.04の高赤方偏移銀河における、これまで観測例のなかった[ NII ] 122 μm線の検出を目的とする。
• 高赤方偏移銀河におけるイオン化ガスを探査する手段として[ NII ] 122 μm線の有用性を評価すること。
• 高赤方偏移系における[OIII]/[NII]線輝度比を用いて、O9.5星またはAGN NLRが支配的なイオン化源かどうかを制約すること。
• 高赤方偏移の星形成銀河およびAGN支配銀河における、イオン化ガスの分子ガス質量に対する割合を特定すること。

提案手法

• カリフォルニア工科大学サブミリ波長望遠鏡（CSO）に搭載された赤方偏移(z)と初期宇宙スペクトロメータ（ZEUS）を用いた[ NII ] 122 μm線の観測。
• 線輝度とFIR連続体の輝度を測定し、線対FIR連続体輝度比を計算する。
• 先行観測から得られた[OIII] 88 μm線比を用いて、狭線領域（NLR）内のイオン化状態を制約する。
• イオン化パラメータ（U）とイオン化星の有効温度に関する理論的関係を用いて、イオン化構造をモデル化する。
• 観測された[OIII]/[NII]比をHII領域およびAGN NLRの予測と比較し、支配的なイオン化源を同定する。
• 星形成とAGNの両方の寄与を組み合わせた複合モデルを用いて、観測されたFIR線放出を説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移銀河における[ NII ] 122 μm線の強度はどの程度で、近傍銀河の基準と比べてどう異なるか？
• RQ2 [ NII ]線輝度から推定される、高赤方偏移銀河における分子ガスのうちイオン化ガスが占める割合はどの程度か？
• RQ3 これらの銀河の星間媒体のイオン化は、主に大質量O型星によるものか、あるいはAGNによるものか？
• RQ4 高赤方偏移銀河における[OIII]/[NII]線輝度比は、近傍のAGNおよびHII領域と比べてどう異なるか？
• RQ5 星形成とAGN NLRの両方を含む複合モデルは、これらの源における観測されたFIR線放出を説明できるか？

主な発見

• [ NII ] 122 μm線は、z > 0.04のSMMJ02399-0136およびCloverleaf QSOで強く検出された（6σ以上）、これは初めての検出である。
• 線対FIR連続体輝度比は、SMMJ02399-0136で2.1×10⁻³、Cloverleafで7.0×10⁻⁴に達し、近傍銀河の平均を顕著に上回っている。
• イオン化ガス分率は分子ガス質量の8–17％と推定され、高赤方偏移銀河に顕著なイオン化ガスの貯留が存在することを示している。
• SMMJ02399-0136の[OIII]/[NII]比は、O9.5星またはlog(U) = -3.3から-4.0のAGN NLRによるイオン化を示唆している。
• Cloverleafの放射を最もよく説明するモデルは、約200個のM82型星形成領域と、[NII]線の43％がNLR由来であると仮定した複合モデルであり、残りの部分もNLR由来である可能性がある。
• [ NII ] 122 μm線が、高赤方偏移銀河におけるイオン化ガスの含量とイオン化状態を信頼性高く探査するための有効なプローブであることが示された。