[論文レビュー] Unravelling lifecycles & physics of radio-loud AGN in the SKA era

A. D. Kapińska, M. J. Hardcastle+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2014

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、スケール・キロメートル・アレイ（SKA）が、若いコンパクトな源から巨大で消えつつある電波銀河に至るまで、これらの源の全ライフサイクルを捉える深さ・広域・高解像度・多周波数電波調査を可能にすることで、電波活性銀河核（AGN）の研究を革命的に進展させると提案している。SKAの感度と空間分解能により、宇宙の歴史にわたって電波活性AGNを完全かつ偏りのないサンプルで調査でき、AGNフィードバック、統一モデル、宇宙論的構造形成の理解に飛躍的な進展が期待される。

ABSTRACT

Radio-loud AGN (> 10 22 W Hz-1 at 1.4 GHz) will be the dominant bright source population detected with the SKA. The high resolution that the SKA will provide even in wide-area surveys will mean that, for the first time sensitive, multi-frequency total intensity and polarisation imaging of large samples of radio-loud active galactic nuclei (AGN) will become available. The unprecedented sensitivity of the SKA coupled with its wide field of view capabilities will allow identification of objects of the same morphological type (i.e. the entire FR I, low- and high-luminosity FR II, disturbed morphology as well as weak radio-emitting AGN populations) up to high redshifts (z ~ 4 and beyond), and at the same stage of their lives, from the youngest CSS/GPS sources to giant and fading (dying) sources, through to those with restarted activity radio galaxies and quasars. Critically, the wide frequency coverage of the SKA will permit analysis of same-epoch rest-frame radio properties, and the sensitivity and resolution will allow full cross-identification with multi-waveband data, further revealing insights into the physical processes driving the evolution of these radio sources. In this chapter of the SKA Science Book we give a summary of the main science drivers in the studies of lifecycles and detailed physics of radio-loud AGN, which include radio and kinetic luminosity functions, AGN feedback, radio-AGN triggering, radio-loud AGN unification and cosmological studies. We discuss the best parameters for the proposed SKA continuum surveys, both all-sky and deep field, in the light of these studies.

研究の動機と目的

• 宇宙の歴史にわたって全ラディオ出力および形態的タイプをカバーする、完全で広域的かつ深さのある電波活性AGNの電波調査が不足しているという問題に取り組む。
• 既存の調査に見られるバイアス（例えば、マールムクイストバイアスや相対論的ビーム効果）を克服し、電波活性AGNの出力関数（RLF）および源の進化の正確な測定を可能にする。
• 高解像度・多周波数データを用いて、代表的な大規模サンプルの電波活性AGNの研究を可能にし、AGNフィードバック、駆動機構、統一モデルを解明する。
• 宇宙論的パワースペクトル測定における宇宙分散を克服するため、大規模構造の高バイアス tracer として電波活性AGNを用いる。
• SKA調査からの高解像度およびスペクトル指数情報により、電波放射へのAGN寄与と星形成寄与を区別する。

提案手法

• SKA1-LOW（中心周波数160 MHz、帯域幅300 MHz）を用い、古い消えつつある電波源を検出し、相対論的ビーム効果に偏りのないフラックス密度および体積制限付きのサンプルを構築する。
• SKA1-SURおよびSKA1-MID バンド2（1.4 GHz、帯域幅800 MHz）を用い、1–2角秒解像度の深さ・広域フィールド調査を実施し、形態的タイプを特定し、近傍宇宙における弱い電波AGNを検出する。
• SKA1-MID バンド4および5（4 GHzおよび9.2 GHz、帯域幅2.4 GHzおよび5 GHz）を用い、0.05角秒解像度の高解像度イメージングにより、ジェットおよびラッパの詳細な源物理学を研究する。
• SKA-VLBIを活用し、電波活性AGN内のコンパクト構造の超高ダイナミクスレンジイメージングを実現し、コア・ジェット構造を解明し、ビーム効果を持つ源を区別する。
• 複数のSKA周波数帯からのバンド幅スペクトルを組み合わせ、スペクトルの折り返し（例：GPS源）および急勾配スペクトル源（例：消えつつある銀河）を特定し、スペクトル年齢推定を可能にする。
• 複数波長データ（可視光、赤外、X線）とSKA電波源をクロスマッチングし、AGN駆動と星形成駆動の電波放射を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マールムクイストバイアスやビーム効果に偏りのない、宇宙の歴史にわたる電波活性AGN出力関数（RLF）の真の形状と進化は何か？
• RQ2 コンパクト対称的源、FR I/II源、巨大または消えつつある電波銀河を含む、電波活性AGNのライフサイクルはどのように進行し、その形態的およびスペクトル的進化を引き起こす要因は何か？
• RQ3 電波活性AGNが大規模なダークマター構造の偏りのないトレーサーとしてどの程度有効であるか、またそのクラスタリング特性が宇宙論的調査における宇宙分散をどのように克服できるか？
• RQ4 高赤方偏移銀河における全電波出力に占めるAGNフィードバックと星形成の相対的寄与は何か？SKAデータを用いてこの寄与をどのように分離できるか？
• RQ5 SKA調査からのスペクトル年齢および偏光測定は、ラッパおよびジェット内のジェット物理学、磁場、粒子加速の理解をどのように向上させるか？

主な発見

• SKAは、赤方偏移z ∼ 4まで、コンパクト対称的源から巨大で消えつつある電波銀河に至るまで、全形態的タイプの電波活性AGNを完全かつ偏りのない、体積制限付きの全貌をとらえる初の調査を可能にする。
• SKA1-LOWの低周波数感度により、急勾配スペクトル（α > 1.8）の古い消えつつある電波源が検出され、ライフサイクルの最終段階にある源の完全なサンプルが構築可能になる。
• 高解像度のSKA1-MID観測（0.3–0.5角秒）により、電波活性AGNの形態的分類が可能となり、構造的および明るさ温度診断によるAGNと星形成銀河の分離が可能になる。
• 複数のSKA周波数帯からのバンド幅スペクトルにより、個々の源のスペクトル年齢推定が可能となり、源の老化およびジェット進化の物理を研究する上で不可欠となる。
• 高感度、広帯域、高解像度の組み合わせにより、低出力および弱い電波放射を示すAGNに対しても、AGNと星形成の寄与を分離可能となる。
• SKAで検出された電波活性AGNは、大規模ダークマター分布の強力で高バイアスのトレーサーとして機能し、星形成銀河などの低バイアストレーサーと組み合わせることで、宇宙分散が低減された宇宙論的研究を可能にする。