[論文レビュー] The First Luminous Quasars and Their Host Galaxies

Xiaohui Fan, Aaron J. Barth+27 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用数 11

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、z ≳ 9における最初の明るいクェーサーが、z ≈ 7を過ぎるとクェーサー密度が急激に低下するため、観測可能な宇宙全体でたった約1個にとどまると提案している。広域近赤外サーベイ（例：LSST、Euclid、WFIRST）と深紫外X線およびミリ波長サーベイを組み合わせることで、これらのクェーサーを発見することを提唱し、ブラックホール質量、ハイスペクトル、銀河環境を多波長・高分解能分光法および画像法を用いて解明する次世代望遠鏡（JWST、ELTs、ALMAアップグレード）の活用を要請している。これにより、初期ブラックホール成長および宇宙再イオン化の理解に飛躍的な進展が期待される。

ABSTRACT

The discovery of luminous quasars at redshifts up to 7.5 demonstrates the existence of several billion M_sun supermassive black holes (SMBHs) less than a billion years after the Big Bang. They are accompanied by intense star formation in their host galaxies, pinpointing sites of massive galaxy assembly in the early universe, while their absorption spectra reveal an increasing neutral intergalactic medium (IGM) at the epoch of reionization. Extrapolating from the rapid evolution of the quasar density at z=5-7, we expect that there is only one luminous quasar powered by a billion M_sun SMBH in the entire observable universe at z~9. In the next decade, new wide-field, deep near-infrared (NIR) sky surveys will push the redshift frontier to the first luminous quasars at z~9-10; the combination with new deep X-ray surveys will probe fainter quasar populations that trace earlier phases of SMBH growth. The identification of these record-breaking quasars, and the measurements of their BH masses and accretion properties require sensitive spectroscopic observations with next generation of ground-based and space telescopes at NIR wavelengths. High-resolution integral-field spectroscopy at NIR, and observations at millimeter and radio wavelengths, will together provide a panchromatic view of the quasar host galaxies and their galactic environment at cosmic dawn, connecting SMBH growth with the rise of the earliest massive galaxies. Systematic surveys and multiwavelength follow-up observations of the earliest luminous quasars will strongly constrain the seeding and growth of the first SMBHs in the universe, and provide the best lines of sight to study the history of reionization.

研究の動機と目的

• z ≳ 9における最初の明るいクェーサーを特定・特徴づけること。これらはz ≈ 7を過ぎるとクェーサー空間密度が急激に低下するため、極めてまれであると予測されている。
• 宇宙歴最初の10億年以内に10^9 M☉のブラックホールが形成・成長するメカニズムを制約すること。
• 多波長観測を通じて、宇宙の夜明け期における超大質量ブラックホールとその宿主銀河の共進化を理解すること。
• クェーサー吸収スペクトルを用いて、宇宙再イオン化の歴史と銀河間媒体の状態を解明すること。

提案手法

• LSST、Euclid、WFIRSTなどの広域近赤外画像サーベイを用いたクェーサー発見率の予測。ドロップアウト選別法を用い、AB ≈ 23–25までのクェーサーを検出する。
• z = 5–7における明るいクェーサーの等級関数を外挿することで、観測可能な宇宙全体にz ≳ 9に存在する10^9 M☉ブラックホールが駆動する明るいクェーサーはわずか約1個であると予測する。
• 深紫外近赤外サーベイと将来のX線サーベイ（例：Lynx、Athena、AXIS）を組み合わせ、ブラックホール降着の初期段階を示すより明るくないクェーサー集団を検出する。
• JWSTおよびELTsを用いた高分解能積分場分光法により、核源の支配的影響を克服し、クェーサー宿主銀河の星間およびネビュラ放射を解明する。
• ALMAおよびアップグレードされたngVLA施設を用いて、原子線および分子線トレーサー（例：[CII]）を用いて、宿主銀河内のISMの運動および組成をマッピングする。
• 高対比イメージングおよび適応光学技術を用いて、核発光を抑制し、高赤方偏移クェーサー宿主銀河の微弱な星間光および星形成領域をマッピングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最初の明るいクェーサーの空間密度および赤方偏移分布は何か？ そしてz ≈ 7を過ぎるとどのように変化するか？
• RQ2 10^10 M☉に達する超大質量ブラックホールは、宇宙の歴史の最初の10億年以内にどのようにして急速に形成・成長したのか？
• RQ3 宇宙の夜明け期におけるブラックホール成長と質量の大きな宿主銀河の構築の関係は何か？ それらの運動学的性質および質量は、現在の関係とどのように比較されるか？
• RQ4 z ≳ 8において銀河間媒体はどれほど中性であったのか？ そして再イオン化は均一的であったか、局所的であったか？
• RQ5 最初期のクェーサーの宿主銀河におけるISMの物理的性質および星形成率は何か？

主な発見

• 明るいクェーサーの空間密度はz ≈ 5–6を過ぎると急激に低下し、観測可能な宇宙全体にz ≳ 9に存在する10^9 M☉ブラックホールが駆動する明るいクェーサーはわずか約1個であると予想される。
• 広域近赤外サーベイ（例：LSST、Euclid、WFIRST）は、z > 7の再イオン化時代クェーサーの大規模なサンプルを発見すると予測されており、z > 8では数10個、z ≈ 9まで到達する可能性がある。
• 高赤方偏移クェーサー宿主銀河は、星形成が活発で、推定される星形成率は数1000 M☉ yr⁻¹に達する。これはブラックホールと質量の大きな銀河が同時に成長していることを示唆する。
• ALMA観測では、孤立した回転系、大規模合体、コンパクトで分散支配の構造を示す多様な宿主銀河の形態が観測され、多様な進化経路が存在することを示唆している。
• 高赤方偏移クェーサーにおける[CII]運動学的質量は、通常、現在のM_BH–M_star関係から予想される値のおよそ10分の1程度にとどまる。これは、ブラックホールの成長が宿主銀河の構築を上回っていた可能性を示唆している。
• 核の明るさが圧倒的であるため、クェーサー宿主からの星間およびネビュラ放射は、静止系のUVから近赤外波長域で検出されていない。これに対応するには、JWSTやELTsといった次世代施設による直接検出が不可欠である。