[論文レビュー] The formation of cluster elliptical galaxies as revealed by extensive star formation

J. A. Stevens, R. J. Ivison+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2003

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 25被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、高赤方偏移電波銀河（HzRG）およびその高密度環境において、集団的で広範囲にわたる星形成が、集団的楕円銀河の形成に寄与していることを明らかにした。JCMTのSCUBAを用いた深紫外・赤外マッピングにより、HzRGの電波ジェットと一致する方向に、延長したダスト放射および明るいサブミリ波長の同伴銀河を検出。これは、z ≈ 3–4のプロトクラスタ構造において、質量の大きな銀河が共に形成され、星形成が30–250 kpcの距離でピークに達していることを示している。

ABSTRACT

The most massive galaxies in the present-day Universe are found to lie in the centres of rich clusters. They have old, coeval stellar populations suggesting that the bulk of their stars must have formed at early epochs in spectacular starbursts - luminous phenomena at submillimetre wavelengths. The most popular model of galaxy formation predicts that these galaxies form in proto-clusters at high-density peaks in the early Universe. Such peaks are signposted by massive high-redshift radio galaxies. Here we report deep submillimetre mapping of seven high-redshift radio galaxies and their environments. These data confirm not only the presence of spatially extended massive star-formation activity in the radio galaxies themselves, but also in companion objects previously undetected at any wavelength. The prevalence, orientation, and inferred masses of these submillimetre companion galaxies suggest that we are witnessing the synchronous formation of the most luminous elliptical galaxies found today at the centres of rich galaxy clusters.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移電波銀河（HzRG）における星形成の空間的広がりと環境的文脈を調査すること。HzRGは、巨大集団楕円銀河の前身とされている。
• HzRGおよび周囲の星形成が空間的に広がっており、共時的であるかどうかを特定すること。これは、階層的銀河形成モデルの予測に合致する。
• HzRGの電波ジェットとサブミリ波長放射、または同伴銀河との間の整列が統計的に有意であり、大規模構造内での物理的関連性を示しているかどうかを検証すること。
• 観測されたサブミリ波長の同伴銀河が、HzRGと物理的に関連しているのか、それともランダムな背景源にすぎないのかを、源密度と整列統計を用いて評価すること。

提案手法

• JCMTに搭載されたサブミリ波長共通利用ボロメータアレイ（SCUBA）を用いた、7つの高赤方偏移電波銀河（z = 2.2–4.3）の深紫外・赤外マッピング。
• 2次元ガウス関数フィッティングを用いて、ビーム応答を分解し、ダスト放射の空間的広がりを定量化。ビームのFWHM ≈ 14.4′′。
• コルモゴロフ＝スミルノフ検定を用いた統計的解析により、電波ジェットの位置角とサブミリ波長源の位置との整列の有意性を評価。
• 観測されたサブミリ波長源の数を、空領域サーベイと比較して、HzRG領域における過剰な源密度を評価。
• N体ΛCDMシミュレーションを用いて、HzRG周囲のダークマターハロー分布をモデル化。3-arcmin領域内での質量が大きなハローおよび同伴の期待数を推定。
• 観測された延長した形状が、機器の誤差に起因するものでないかを検証するため、クェーサーBR 1202–0725をキャリブレーション源として使用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移電波銀河のサブミリ波長放射は、その電波構造をはるかに超えて空間的に広がっており、どのような物理的スケールで発生しているか？
• RQ2 HzRG周辺に検出された明るいサブミリ波長源は、物理的にそれらと関連しているのか、それともランダムな背景源にすぎないのか？
• RQ3 HzRGの電波ジェットは、サブミリ波長放射および最も明るいサブミリ波長同伴銀河の位置と整列しており、その整列は統計的に有意か？
• RQ4 観測された整列と高い同伴源密度は、初期宇宙における質量が大きく密度の高いピークにおける選択的効果によって説明可能か？
• RQ5 観測された星形成率と空間的広がりは、<1 Gyrの期間内に巨大楕円銀河が形成されたことを支持するか？

主な発見

• 中心のHzRGからのダスト放射は空間的に広がっており、半光半径は30～150 kpcの範囲にあり、局所の最も明るいクラスタ銀河のサイズと一致する。
• 7つのHzRGのうち5つで、サブミリ波長放射が分解可能であり、広がりは50～250 kpcに達しており、質量が大きく広範囲にわたる星形成領域を示している。
• 調査で、S850 > 5–6 mJyのサブミリ波長同伴が10個検出され、空領域サーベイの期待値（約1フィールドあたり）を著しく上回っている。
• 7つのHzRGのうち4つで、電波ジェットの位置角と最も明るいサブミリ波長同伴の方向との間で有意な整列（p < 0.05）が確認され、物理的関連性を示唆している。
• 電波ジェットとサブミリ波長放射との整列も有意（p = 0.04）であり、ジェットがプロトクラスタ環境における最も密度の高いガス領域を示している可能性を示している。
• シミュレーションにより、HzRGから3-arcmin以内に観測された質量が10^12 M☉を超えるハローの数は、ΛCDMモデルと整合的であることが確認され、HzRGが高密度のプロトクラスタに存在しているという仮説を支持している。