[論文レビュー] The Nature of CO Emission From z~6 Quasars

Desika Narayanan, Yuexing Li+10 more|Durham Research Online (Durham University)|Jul 20, 2007

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 113被引用数 29

ひとこと要約

本研究は、ΛCDMフレームワーク内の非局所熱力学的平衡（non-LTE）放射線輸送と合体駆動型シミュレーションを用いて、z~6のクェーサーにおけるCO線幅の性質を調査した。CO線幅は視線依存的であり、正面から見た場合の線幅は、観測されたJ1148+5251クェーサーと整合する狭い幅を示す。また、CO線幅から導かれる動的質量は、選択効果を考慮した上で、M_BH–M_bulge関係と整合的であることが判明した。

ABSTRACT

We investigate the nature of CO emission from z~6 quasars by combining non-LTE radiative transfer calculations with merger-driven models of z~6 quasar formation that arise naturally in LCDM cosmological simulations. We consider four model quasars formed in 10^12-10^13 M_sun halos from different merging histories. Our main results follow. Owing to massive starbursts and funneling of dense gas into the nuclear regions of merging galaxies, the CO is highly excited and the flux density peaks between J=5-8. The CO morphology of z~6 quasars often exhibits multiple emission peaks which arise from H2 concentrations which have not yet fully coalesced. Quasars at z~6 display a large range of sightline dependent line widths such that the lines are narrowest when the rotating H2 gas associated with the quasar is viewed face-on (when L_B is largest), and broadest when the gas is seen edge-on (when L_B is lowest). Thus for all models selection effects exist such that quasars selected for optical luminosity are preferentially face-on which may result in detected CO line widths narrower than the median. The sightline averaged line width is reflective of the circular velocity (V_c) of the host halo, and ranges from sigma~300-650 km/s. For optically selected QSOs, 10-25% (halo-mass dependant) of sightlines have narrow line widths compatible with the sole CO detection at z>6, J1148+5251. When accounting for both the temporal evolution of CO line widths, as well as the redshift evolution of halo V_c, these models self-consistently account for the CO line widths of both z~2 sub-mm galaxies and QSO's. Finally, the dynamical mass derived from the sightline averaged line widths provides a good estimate of the total mass, and allows for a stellar bulge and SMBH consistent with the local M_BH-M_bulge relation. [abridged]

研究の動機と目的

• 高赤方偏移のクェーサー（z~6）におけるCO放射の物理的起源を理解すること、特に観測されたCO線幅と形態の理由を明らかにすること。
• ΛCDM構造形成シミュレーションからの合体駆動型銀河形成モデルが、z=6.42のクェーサーJ1148+5251の観測と整合するCO放射特性をどのように生成するかを調査すること。
• 視線角度による選択効果が、特に光学的に明るいクェーサーにおいて観測されたCO線幅に与える影響を評価すること。
• CO線幅から導かれる動的質量が、高赤方偏移クェーサーにおけるM_BH–M_bulge関係と整合的であるかどうかを特定すること。
• 赤方偏移とホールマスに伴うCO線幅の進化を調査し、z~2のサブミリ波長銀河およびクェーサーの観測と整合的であるかどうかを検証すること。

提案手法

• 非局所熱力学的平衡（non-LTE）放射線輸送計算と、ΛCDM構造形成シミュレーションからの合体駆動型クェーサー形成モデルを統合する。
• 10^12–10^13 M☉の宿主ホールに形成された、多様な合体歴を持つ4つの代表的z~6クェーサーをシミュレートする。
• 大型速度勾配（LVG）放射線輸送モデルを用いて、J=3–8遷移におけるCO放射線幅関数を予測する。
• 複数の視線角度で放射線を計算することで、視線依存のCO線幅および形態を分析する。
• 特にJ=6のCO放射ピークと狭い線幅について、J1148+5251の観測と比較する。
• CO線幅から得られる動的質量推定値を、ホール質量およびバルジ質量と比較し、M_BH–M_bulge関係との整合性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜJ1148+5251のようなz~6クェーサーはCO放射がJ=6でピークを示すのか？また、そのようなピークを生じる宿主銀河内の物理的条件は何か？
• RQ2 視線依存の観測角度がz~6クェーサーの観測CO線幅に与える影響は何か？特に、選択効果が観測サンプルに与える影響は？
• RQ3 ΛCDMにおける合体駆動モデルは、J1148+5251の観測されたCO形態と線幅を再現できるか？
• RQ4 z~6クェーサーにおけるCOから導かれる動的質量は、M_BH–M_bulge関係と一致するか？また、選択効果はその整合性にどのように影響するか？
• RQ5 赤方偏移に伴うホールの円運動速度の進化が、異なる赤方偏移におけるクェーサーの予測CO線幅に与える影響は何か？

主な発見

• z~6クェーサーにおけるCO放射は、質量の星形成爆発と核領域への高密度ガスの供給により高励起化され、J=5–8でピークを示す。
• CO形態には複数の放射ピークが見られ、未合体の分子ガス濃度を反映しており、J1148+5251の複数エポック観測と整合的である。
• 視線依存の線幅は、10^12 M☉ホールでは約300 km s⁻¹、10^13 M☉ホールでは約650 km s⁻¹の範囲を示し、平均は宿主ホールの円運動速度を反映している。
• シミュレートされたクェーサーのうち、J1148+5251と一致する線幅を持つ視線は2–10%にとどまるが、光学的明るさに応じた選択を施すと10–25%に増加する。
• 正面からの視点では遮蔽が最小限に抑えられ、CO線幅が狭くなる。これにより、光学的に明るいクェーサーが平均よりも狭い線幅を示す理由が説明できる。
• モデルは、ホールの円運動速度の赤方偏移に伴う進化を考慮することで、z~6クェーサーおよびz~2サブミリ波長銀河の両方のCO線幅を一貫して再現できる。