[論文レビュー] Probing high-redshift quasars with ALMA. I. Expected observables and potential number of sources

D. R. G. Schleicher, M. Spaans+1 more|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|Jan 13, 2010

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 65被引用数 29

ひとこと要約

この論文は、ALMAを用いて高赤方偏移クェเซルのサブミリ波長線スペクトルをモデル化し、それらの宿主銀河におけるX線支配領域（XDR）が、CO、[CII]、[OI]の明著な線スペクトルを生成することを示している。高JのCO遷移（最大J=17-16）および微細構造線が、XDRと光分解領域（PDR）を区別可能であり、z≈6では約1源/平方弧分の検出が期待され、初期銀河の進化および中心部のエネルギー源フィードバックの詳細な調査が可能になる。

ABSTRACT

(abridged) We explore how ALMA observations can probe high-redshift galaxies in unprecedented detail. We discuss the main observables that are excited by the large-scale starburst, and formulate expectations for the chemistry and the fluxes in the center of active galaxies, where chemistry may be driven by the absorption of X-ray photons. We show that such X-ray dominated regions (XDRs) should be large enough to be resolved with ALMA, and predict the expected amount of emission in CO and various fine-structure lines. We discuss how such XDRs can be distinguished from a strong starburst on the same spatial scales based on the CO line SED. Our models are compared to known sources like NGC 1068 and APM 08279. We also analyze the properties of the z=6.42 quasar SDSS J114816.64+525150.3, and find that the observed emission in CO, [CII] and [CI] requires a dense warm and a low-density cold gas component. We estimate the expected number of sources at redshifts higher than 6, finding that one could expect one black hole with $10^6$ solar masses per arcmin$^2$.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移クェーサーからの観測可能なサブミリ波長線スペクトルをALMAを用いて予測し、特にその宿主銀河におけるX線支配領域（XDR）に焦点を当てる。
• 活発な銀河中心核に近い高密度・高温の雲におけるX線放射の下での分子ガスの化学および励起状態をモデル化する。
• ブラックホール降着歴史と源密度を考慮して、ALMAの深宇宙調査で検出可能な高赤方偏移クェーサーの期待数を推定する。
• 高JのCO線および微細構造線（[CII]、[OI]など）を用いて、XDRとPDRを区別するための診断法を提供する。
• 観測されたz=6.42クェーサーを、高密度の星形成ガス成分と低密度の静止ガス成分を併せ持つ多成分系として解釈する。

提案手法

• z=8の近距離Seyfert 2銀河NGC 1068の観測を基に、ALMAバンド応答を再現し、どの線スペクトルが検出可能かを評価する。
• 半アナリティカルモデルを用いて、中心部のX線支配領域（XDR）のサイズを推定し、数100パーセク程度であると判明した。
• 1次元の詳細な化学モデルをX線放射を受けた分子雲に適用し、事前に得られたXDR計算を組み込み、X線放射度、雲密度、光学厚さの関数として線輝度を予測する。
• NGC 1068およびAPM 08279+5255における観測線輝度とモデル予測を比較し、XDRモデルの妥当性を検証する。
• 理論的高赤方偏移ブラックホール集団モデルと局所SMBH密度を用いて、ALMA深宇宙調査における検出可能源の数を推定する。
• 高JのCO線（最大J=17-16）および微細構造線（[CII]、[OI]）の診断能力を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移クェーサーの宿主銀河におけるX線放射によって、どのサブミリ波長線スペクトルが予想されるか？
• RQ2 X線支配領域におけるCO、[CII]、[OI]線の輝度は、X線放射度、雲密度、および光学厚さにどのように依存するか？
• RQ3 高JのCO遷移（例：J=17-16）は、高赤方偏移クェーサーにおけるXDRとPDRを区別するための特徴的な診断指標として機能できるか？
• RQ4 ALMAの深宇宙調査において、z≈6近辺で検出可能な高赤方偏移クェーサーの期待数密度はどの程度か？
• RQ5 多成分線スペクトル（高密度および低密度ガスからのもの）を用いることで、z=6.42クェーサーの観測輝度はどのように説明できるか？

主な発見

• 高赤方偏移クェーサーにおける中心部のX線支配領域（XDR）のサイズは、数100パーセク程度であると推定される。
• 高X線放射度下でCO線の強度は(17-16)遷移まで連続的に増加し、XDRとPDRを区別するための特徴的な診断指標となる。
• 微細構造線[OI] 63 μmおよび[CII] 158 μmは、高密度（>10^5 cm⁻³）で光学的厚さを示し、主にX線放射度に依存するが、光学厚さにはほとんど依存しない。
• z=6.42クェーサーの観測輝度は、単一のガス成分では説明できないため、高密度で高温の星形成ガス成分と低密度で静止したガス成分の両方が存在することが示唆される。
• z≈6近辺のALMA深宇宙調査では、約1源/平方弧分の検出が期待される。
• 高JのCO線と微細構造線の輝度比は、X線放射度と雲の光学厚さの両方を同時に制約可能であり、XDR状態の詳細な診断が可能になる。