[論文レビュー] The nature of sub-millimetre galaxies II: an ALMA comparison of SMG dust heating mechanisms

Behzad Ansarinejad, T. Shanks+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 74被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、ALMA 0.1"解像度の観測を用いて、サブミリメートル銀河（SMGs）とクェーサーにおけるダスト加熱機構を比較した。その結果、SMGsはコンパクトなサブミリメートルサイズ（約1–2 kpc）、類似したSFR表面密度、および遮蔽されたクェーサーと区別できない中赤外線（MIR）発光度を示した。これらの結果は、明るいSMGsがダスト遮蔽型AGNによって駆動されている可能性を示唆しており、それは同時に硬いX線および遠赤外線背景を支配している可能性がある。

ABSTRACT

We compare the contribution of Active Galactic Nuclei (AGN) and star-formation towards dust heating in sub-mm galaxies (SMGs). We have used ALMA at $0."1$ resolution to image a complete flux-limited sample of seven sub-mm sources previously shown to have spectral energy distributions (SEDs) that were as well-fitted by obscured AGN as star-forming galaxy templates. Indeed, two sub-mm sources were known to be quasars from their absorbed X-ray emission. We find the sub-mm sizes of all SMGs to be small ($\approx1-2$kpc) and generally $\sim3$ times smaller than any host detected in the Near-Infra-Red (NIR). In all cases, the five SMGs are comparable in sub-mm size to the two known quasars and four $z\approx6$ quasars, also observed with ALMA. We detect no evidence of diffuse spiral arms in this complete sample. We then convert the Far-Infra-Red (FIR) luminosities to star-formation rate (SFR) surface densities and find that the SMGs occupy the same range as the known quasars in our sample. We conclude that in terms of sub-mm size, extent relative to host and SFR density as well as luminosity and Mid-IR (MIR) colour, there is little distinction between the SMGs and sub-mm bright quasars. Finally, we present preliminary evidence that SMGs with higher MIR luminosities and sub-mm loud quasars tend to have dust components that range to hotter temperatures than their less luminous SMG counterparts. In light of these results, we continue to suggest that luminous SMGs may host dust-absorbed quasars that may simultaneously dominate the FIR and hard X-ray backgrounds.

研究の動機と目的

• アクティブ銀河核（AGN）か星形成が、サブミリメートル銀河（SMGs）におけるダスト加熱を支配しているかどうかを特定すること。
• サブミリメートルおよび近赤外線（NIR）バンドにおけるSMGsとクェーサーの物理的サイズおよび形状を比較すること。
• 中赤外線発光度が高いSMGsが、AGN支配を示すより高温のダスト成分を有するかどうかを評価すること。
• SMGsとクェーサーのSed（スペクトルエネルギー分布）の観測的類似性が、最も明るいSMGsのAGN駆動を支持するかどうかを評価すること。
• コンパクトなサブミリメートルサイズが、AGN加熱によるSMGsに特有の予測であるかどうかを検証すること。

提案手法

• WHDF領域に位置する7つのSMGsおよび2つの既知のX線吸収クェーサーの、フラックス限界付きのサンプルを対象に、高解像度（0.1"）のALMA連続スペクトル画像を取得した。
• 光学/NIR（Kバンド）におけるホスト銀河サイズと比較して、サブミリメートルサイズ（870 µm）を評価し、相対的な広がりを分析した。
• 標準的なキャリブレーションを用いて、遠赤外線発光度を星形成率（SFR）表面密度に変換した。
• ダスト温度およびAGN寄与度を調査するため、中赤外線（4.5 µm）およびサブミリメートル（870 µm）の輝度密度比（S24µm/S8µmおよびS100µm/S24µm）を分析した。
• 既知のクェーサーおよびALESS SMGsとの多波長SEDフィッティングおよび統計的比較を用いて、形状的および光度的類似性を評価した。
• ALMA画像におけるスパイラル腕の特徴の有意性を評価し、核起源（AGN）と拡張型（星形成）加熱を区別した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AGNおよび星形成テンプレートの両方で良好にフィットするSedを示すサブミリメートル銀河（SMGs）が、高解像度で撮影された際に、形態的または物理的差異を示すか？
• RQ2 SMGsのサブミリメートルサイズは、既知の遮蔽クェーサーと整合的か？また、それらのNIRホストサイズとは異なるか？
• RQ3 中赤外線発光度とサブミリメートル波長の輝度密度比の間に相関があるか？これにより、より高い発光度のSMGsに高温のダスト成分があるかどうかを示唆できるか？
• RQ4 中赤外線発光度が高く、サブミリメートル波長で明るいSMGsは、高温のダストの証拠を示しており、AGN支配を示唆するか？
• RQ5 SMGのサブミリメートル放射の観測的コンパクトネスは、イン・スイット星形成が主加熱機構であることを排除できるか？

主な発見

• サンプル内のすべてのSMGsは、約1–2 kpcのコンパクトなサブミリメートルサイズを示しており、2つのX線吸収クェーサーまたは4つのz > 6クェーサーと顕著な差がない。
• SMGsのサブミリメートルサイズは、常にNIRホスト銀河の広がりの約3倍小さく、識別不能なSMGsとクェーサーとの間に差は認められなかった。
• SMGsとクェーサーは、同程度の遠赤外線発光度とSFR表面密度を示しており、両者とも同じ範囲にあり、主にEddington限界未満に位置している。
• WHDF領域のSMGsに低表面輝度のスパイラル腕の痕跡は確認されず、これはALESSサンプルとは対照的であり、より高いサブミリメートル発光度またはS/Nに起因する形態的差異の可能性を示唆している。
• 予備的証拠として、中赤外線発光度が高いほどS100µm/S24µmおよびS24µm/S8µmの輝度密度比が低くなる相関が確認され、より発光度の高いSMGsおよびサブミリメートル波長で明るいクェーサーに高温のダスト成分があることを示唆している。
• サイズ、SFR密度、MIR発光度、およびダスト温度分布の観測的類似性は、明るいSMGsがダスト遮蔽型AGNによって駆動されているという仮説を強く支持しており、これは硬いX線およびFIR宇宙背景の両方を説明する可能性がある。