[論文レビュー] Simultaneous Measurements of Star Formation and Supermassive Black Hole Growth in Galaxies

Alexandra Pope, L. Armus+30 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2019

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、宇宙の歴史にわたり、星形成と超大質量ブラックホールの降着を同時に測定するために、感受性の高い熱赤外線および電波施設を用いた二波長アプローチを提案する。FIR-電波相関および赤方偏移した中〜遠赤外線診断を活用することで、z=0からz>8にわたり、ダストによるバイアスを最小限に抑えた偏りのない統計的完全なサンプルが得られ、星とブラックホールの共進化を解明する。

ABSTRACT

Galaxies grow their supermassive black holes in concert with their stars, although the relationship between these major galactic components is poorly understood. Observations of the cosmic growth of stars and black holes in galaxies suffer from disjoint samples and the strong effects of dust attenuation. The thermal infrared holds incredible potential for simultaneously measuring both the star formation and black hole accretion rates in large samples of galaxies covering a wide range of physical conditions. Spitzer demonstrated this potential at low redshift, and by observing some of the most luminous galaxies at z~2. JWST will apply these methods to normal galaxies at these epochs, but will not be able to generate large spectroscopic samples or access the thermal infrared at high-redshift. An order of magnitude gap in our wavelength coverage will persist between JWST and ALMA. A large, cold infrared telescope can fill this gap to determine when (in cosmic time), and where (within the cosmic web), stars and black holes co-evolve, by measuring these processes simultaneously in statistically complete and unbiased samples of galaxies to z>8. A next-generation radio interferometer will have the resolution and sensitivity to measure star-formation and nuclear accretion in even the dustiest galaxies. Together, the thermal infrared and radio can uniquely determine how stars and supermassive blackholes co-evolve in galaxies over cosmic time.

研究の動機と目的

• 宇宙の歴史にわたり、同じ銀河において星形成率とブラックホール降着率の同時で偏りのない測定が不足しているという問題に取り組む。
• UV、X線、単一アンテナFIRサーベイにおけるダスト減光と不完全なサンプリングによる観測バイアスを克服する。
• z=0からz>8まで、同じ銀河でSFRとBHARを測定することで、銀河進化の自己整合的理論を確立する。
• 多様な環境と宇宙時代にわたり、星と超大質量ブラックホールの共進化を特徴づける。
• JWSTとALMAの間の10倍の波長ギャップを埋め、重要な赤方偏移したIR診断ラインにアクセスする。

提案手法

• 静止系で30 GHz以上の自由自由電波放射を用いて、ダストに左右されない星形成を追跡するFIR-電波相関を活用する。
• 中・遠赤外線分光法を適用し、赤方偏移した観測帯域に移動した主要な診断ライン（例：[O IV]、[Ne II]、[Ne V]）を検出する。
• 高解像度の干渉電波画像法を用いて、核領域およびディスク領域からの放射を解像し、AGNと星形成を分離する。
• 将来の冷媒を搭載した宇宙望遠鏡（例：Origins Space Telescope）と次世代地上電波干渉計（例：ngVLA）のデータを統合する。
• 高い感度で大面積サーベイを実施し、赤方偏移および環境にわたる偏りのない統計的完全な銀河サンプルを構築する。
• スペクトル診断および輝度温度解析を適用し、解像された電波画像におけるAGNと星形成の寄与を区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星形成と超大質量ブラックホールの降着は、宇宙の歴史にわたりどのように共進化するか？
• RQ2 どの赤方偏移および宇宙網のどの領域で、星とブラックホールが同時に成長するか？
• RQ3 z > 8で星とブラックホールの相対的成長率は何か？また、ダスト遮蔽はそれらの測定率にどのように影響するか？
• RQ4 個々の銀河におけるSFRとBHARはどのように一緒に進化するか？それらの結合を引き起こす要因は何か？
• RQ5 AGNと星形成はどれほど物理的に関連しているか？高赤方偏移銀河では、それらをどのように分離できるか？

主な発見

• FIR-電波相関により、特に静止系で30 GHz以上の自由自由放射を介して、高赤方偏移でもダストに左右されない星形成率測定が可能になる。
• 非熱的電波放射は、赤方偏移が高くなると逆コンプトン損失（(1+z)^4に比例）により抑制され、静止系で30 GHz以上のバンドでは自由自由放射が支配的になる。
• 過去のミッション比1000倍の感度を持つ将来の宇宙望遠鏡があれば、数千平方度にわたるスペクトルマッピングが可能となり、大規模で偏りのない銀河サンプルを構築できる。
• ngVLAは、高赤方偏移銀河の個々の核領域およびディスク領域からの放射を解像し、分離するための角分解能と感度を提供する。
• 現在のサーベイでは、UV、X線、単一アンテナFIRデータにおけるダスト遮蔽と選択バイアスのため、z > 3で顕著な不完全性が生じている。
• SFRとBHARを同じ銀河で同時に測定することが、共進化のタイムラインを解明し、異なるサンプルから生じる誤解を避けるために不可欠である。