[논문 리뷰] A highly magnified gravitationally lensed red quasar at z = 2.5 with significant flux anomaly: Uncovering a missing population

E. Glikman, C. E. Rusu외 6명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 14.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 적색 퀘이사에 대해 적외선 및 WISE 색상 선택을 통해 z = 2.517에서 매우 강한 렌즈 효과를 받은 고도로 확대된 천체를 특정하여, 가장 밝은 이미지에서 예측된 것보다 약 7–11배 더 밝은 뚜렷한 광도 이상 현상을 드러냈다. 이 퀘이사의 본질적 빛의 세기는 보통 수준이며(log L_{6μm} ≈ 32.4–32.8), 먼지에 의한 붉어짐(E(B−V) = 0.7) 역시 렌즈가 아닌 퀘이사 자체의 특성으로, 융합에 의해 발생하는 진화 모델에서 일반적이지만 중간 정도 밝고 먼지에 의해 가려진 퀘이사의 부족한 집단이 드러나게 되었다.

ABSTRACT

We present the discovery of a gravitationally lensed dust-reddened QSO at $z=2.517$ discovered in a survey for red QSOs by infrared selection. $Hubble~Space~Telescope$ imaging in the WFC3/IR F160W and F125W filters reveals a quadruply lensed system in a cusp configuration. We find that compared to the central image of the cusp, the nearby, brightest image is anomalous by a factor of $\\sim7-11$. Although the source is extremely bright in the mid-infrared, a magnification by a factor of $\\sim50-120$ places an upper limit of 1.35 mJy on the intrinsic mid-infrared brightness, well below the $WISE~W4$ detection limit of 6 mJy. We find that this QSO is moderately reddened, with $E(B-V)=0.7$ and that $\\sim1\\%$ of the intrinsic spectrum is leaked back into the line of sight resulting in an upturn in its UV spectrum. We conclude that the QSO's reddening is intrinsic and not due to the lens. Consistent with previous red quasar samples, this source exhibits outflows in its spectrum as well as morphological properties suggestive of it being in a merger-driven transitional phase. Depending on how $L_{\ m bol}$ is computed, the quasar's accretion rate may be as high as $0.26~L_{\ m Edd}$. We detect two Lyman limit systems, at $z=2.102$ and $z=2.431$, with absorption by metal lines likely at small impact parameter to the QSO, and a putative lens redshift of $z=0.599$. Given the rarity of quad lenses, the discovery of this source allows detailed study of a less luminous, more typical infrared-selected quasar at high redshift.

연구 동기 및 목표

• 적외선 및 WISE 색상 선택을 통해 고적성(z ≈ 2.5)에서 희귀하고 고도로 확대된 중력 렌즈 효과를 받은 적색 퀘이사를 식별하고 특성화하기.
• 렌즈 효과를 받은 이미지에서 관측된 광도 이상 현상이 내재적 변화가 아니라 미크로렌즈 효과 또는 하위 구조 때문인지 판단하기.
• 스펙트로스코픽 및 광도 분석을 통해 먼지 붑어짐이 퀘이사 자체에 기인한 것인지 렌즈 성간 은하에 기인한 것인지 평가하기.
• 본질적 빛의 세기, 블랙홀 질량, 에드링턴 비율을 추정하고, 초거대 블랙홀-은하 핵 빛의 세기 관계에 위치시키기.
• 광학 및 전파 관측에서 부족한 일반적이고 중간 정도 밝고 먼지에 의해 가려진 퀘이사 집단이 융합 기반 진화 모델에서 누락되어 있음을 밝혀내기.

제안 방법

• Hubble 우주망원경 WFC3/IR 이미징을 F160W 및 F125W 필터로 사용하여 쐐기 형태의 4중 렌즈 시스템을 해상도 있게 분석하였다.
• 강한 중력 렌즈 모델링을 적용하여 확대 계수(53–122)를 추정하고, 원래의 소스 성질을 재구성하였다.
• 광학 및 근적외선 스펙트로스코피(Keck/LRIS, IRTF/SpeX, LBT/MODS1B)를 수행하여 적측도, 먼지 붑어짐(E(B−V)), 그리고 기체 유출 및 흡수선을 확인하였다.
• WISE W4 대역(22 μm)과 HST F160W 광도를 사용하여 본질적 중간 적외선 빛의 세기 추정 및 복사 빛의 세기 및 에드링턴 비율 유추하였다.
• z = 2.102 및 z = 2.431에서 라이만 한계 시스템을 분석하여 작은 영향 거리에서의 간성간 매질과 금속 흡수를 탐색하였다.
• 은하 핵의 확장된 빛 분포 및 잔여 렌즈 효과를 모델링하여 질량 모델을 정밀화하고, 미크로렌즈 효과를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 렌즈 효과를 받은 퀘이사의 가장 밝은 이미지에서 관측된 광도 이상 현상이 렌즈 시스템 내의 미크로렌즈 효과 또는 하위 구조 때문인지 여부?
• RQ2 이 퀘이사의 먼지 붉어짐은 그의 은하에 내재된 것인지 렌즈 효과를 주는 은하에 기인한 것인지 여부?
• RQ3 이 고적성 퀘이사의 본질적 빛의 세기와 에드링턴 비율은 무엇이며, 더 밝은 적색 퀘이사 샘플과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ4 이 시스템이 융합 기반 진화 모델에서 일반적이지만 중간 정도 밝고 먼지에 의해 가려진 퀘이사 집단을 드러내는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 은하 핵의 형태와 항성 형성 활동은 퀘이사가 융합 기반 전이 단계로 분류되는 데 어떤 지원을 하는가?

주요 결과

• 이 퀘이사는 쐐기 형태의 렌즈 구조로, 표준 렌즈 모델에 비해 약 7–11배 더 밝은 매우 비정상적인 이미지로 확대되었다.
• 본질적 중간 적외선 빛의 세기는 log L_{6μm} ≈ 32.4–32.8 erg s⁻¹ Hz⁻¹로 추정되어, 퀘이사 빛의 세기 함수의 무릎 근처에 위치하며, 극단적이지 않은 일반적인 세기임을 시사한다.
• 먼지 붑어짐은 퀘이사 자체에 기인하며 E(B−V) = 0.7이며, 본질적 스펙트럼의 약 1%만 선로의 시야로 돌아오며, 이로 인해 자외선 영역에서 상승 현상이 발생한다.
• 블랙홀 질량은 빛의 세기 캘리브레이션에 따라 log(M_BH/M☉) = 7.54–8.02로 추정되며, 22 μm 복사 세기를 기반으로 복사 빛의 세기를 유추할 경우 에드링턴 비율은 최대 0.26에 이른다.
• 스펙트로스코픽 증거로 기체 유출과 금속 흡수선이 확인되었으며, 이는 융합 기반 전이 단계와 일치한다. 또한 은하의 핵에는 항성 형성 활동 증가와 융합 형태의 흔적을 보였다.
• 렌즈 모델은 z = 0.599의 잠재적 렌즈 적측도를 제안하며, z = 2.102 및 z = 2.431에서 금속선 흡수를 보이는 두 개의 라이만 한계 시스템이 탐지되었다.