[논문 리뷰] A quasar hiding behind two dusty absorbers. Quantifying the selection bias of metal-rich, damped Lyman-alpha absorption systems

K. E. Heintz, J. P. U. Fynbo외 7명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 26.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 154인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 z=2.520에서 발견된 활성은하핵(quasar)이 중간에 존재하는 두 개의 간섭 흡수체—z=2.428에서의 먼지가 많은 DLA와 z=1.603에서의 Mg ii 흡수체—에 의해 가려져 있음을 규명하였다. 이는 금속 농도가 높고 먼지가 많은 덩어리진 수소선 라이만-알파 흡수체(DLAs)가 SDSS와 같은 광학 설문 조사에서 먼지 흡수로 인해 체계적으로 수치가 낮게 기록된다는 것을 보여준다. 저자들은 선택 편향을 정량화하여, 먼지가 많은 DLAs의 약 10%가 빠질 수 있음을 밝혀내었으며, 이는 천체의 금속 농도와 기체 질량 예산을 과소평가하는 데 영향을 미친다.

ABSTRACT

The cosmic chemical enrichment as measured from damped Ly$α$ absorbers (DLAs) will be underestimated if dusty and metal-rich absorbers have evaded identification. Here we report the discovery and present the spectroscopic observations of a quasar, KV-RQ\,1500-0031, at $z=2.520$ reddened by a likely dusty DLA at $z=2.428$ and a strong MgII absorber at $z=1.603$. This quasar was identified as part of the KiDS-VIKING Red Quasar (KV-RQ) survey, specifically aimed at targeting dusty absorbers which may cause the background quasars to escape the optical selection of e.g. the SDSS quasar survey. For the DLA we find an HI column density of $\log N$(HI) = $21.2\pm 0.1$ and a metallicity of [X/H] = $-0.90\pm 0.20$ derived from an empirical relation based on the equivalent width of SiII$λ$1526. We observe a total visual extinction of $A_V=0.16$ mag induced by both absorbers. We compile a sample of 17 additional dusty ($A_V > 0.1$ mag) DLAs toward quasars (QSO-DLAs) from the literature for which we characterize the properties of HI column density, metallicity and dust. From this sample we also estimate a correction factor to the overall DLA metallicity budget. We demonstrate that the dusty QSO-DLAs have high metal column densities ($\log N$(HI) + [X/H]) and are more similar to gamma-ray burst (GRB)-selected DLAs (GRB-DLAs) than regular QSO-DLAs. We evaluate the effect of dust reddening in DLAs as well as illustrate how the induced color excess of the underlying quasars can be significant (up to $\sim 1$ mag in various optical bands), even for low to moderate extinction values ($A_V \lesssim 0.6$ mag). Finally we discuss the direct and indirect implications of a significant dust bias in both QSO- and GRB-DLA samples. [Abridged]

연구 동기 및 목표

• 중간에 있는 두 개의 먼지가 많은 흡수체에 의해 가려진 은하핵을 식별하고 특성화하여, 광학 설문 조사의 완전성에 도전한다.
• 금속 농도가 높고 먼지가 많은 덩어리진 수소선 라이만-알파 흡수체(DLAs)가 SDSS와 같은 광학적으로 선택된 샘플에서 얼마나 체계적으로 수치가 낮게 기록되는지 정량화한다.
• 먼지 적색화가 은하핵 탐지에 미치는 영향을 분석하며, 특히 은하핵 선택 함수와 색상 기반 기준의 맥락에서 고려한다.
• 먼지가 많은 QSO-DLA의 비율 기여도를 추정하여 전반적인 DLA 금속 농도 예산을 보정한다.
• 먼지가 많은 QSO-DLA와 GRB-DLA를 비교하여, 은하핵과 GRB로 선택된 DLA 샘플에 잔류하는 편향을 평가한다.

제안 방법

• KiDS와 VIKING의 광학적 데이터를 활용한 타겟팅 설문 조사(KV-RQ)를 수행하여, 중간에 있는 흡수체에 의해 가려질 가능성이 높은 빨간 빛을 발하는 먼지가 많은 은하핵을 식별하였다.
• 그란 테레스코피아 칸아리아(GTC)를 사용한 후속 분광 측정을 통해 흡수체와 배경 은하핵의 redshift와 물리적 성질을 확인하였다.
• Si ii λ1526 등가폭과 경험적 캘리브레이션을 사용하여 DLA의 H i 기수 밀도(log N(H i) = 21.2 ± 0.1)와 금속 농도([X/H] = -0.90 ± 0.20)를 측정하였다.
• 두 흡수체에 의해 유도된 총 시각적 흡수(A_V = 0.16 mag)를 계산하였으며, 광학 대역에서 색상 초과는 약 ~1 mag에 이르렀다.
• 문헌에서 추가로 17개의 먼지가 많은 QSO-DLA(A_V > 0.1 mag) 샘플을 수집하여 H i 기수 밀도, 금속 농도, 먼지 성질의 통계적 경향을 평가하였다.
• 합쳐진 샘플을 사용하여, 먼지가 많고 금속 농도가 높은 시스템의 수상이 부족한 점을 고려해 DLA 금속 농도 예산에 대한 보정 계수를 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SDSS와 같은 광학 설문 조사에서 먼지 흡수로 인해 금속 농도가 높고 먼지가 많은 덩어리진 수소선 라이만-알파 흡수체(DLAs)가 얼마나 많이 누락되는가?
• RQ2 은하핵의 시선 방향에 먼지가 유도하는 색상 초과는 얼마나 크며, 이는 광학 선택 기준에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 먼지가 많고 금속 농도가 높은 DLAs의 수상이 부족한 점을 보정하기 위해 필요한 보정 계수는 무엇인가?
• RQ4 먼지가 많은 QSO-DLA의 성질은 H i 기수 밀도와 금속 농도 측면에서 GRB-DLA와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 먼지 편향은 DLA 주변 은하의 대응체 탐지와 DLA 주인의 등급 함수에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• z=2.520에서 발견된 은하핵이 z=2.428에서의 먼지가 많은 DLA와 z=1.603에서의 Mg ii 흡수체에 의해 가려져 있음을 확인하여, 이러한 시스템이 광학 탐지에서 회피된다는 것을 입증하였다.
• DLA의 log N(H i) = 21.2 ± 0.1과 [X/H] = -0.90 ± 0.20은 금속 농도가 높고 고기수 밀도를 가진 시스템임을 나타낸다.
• 두 흡수체에 의해 유도된 총 시각적 흡수는 A_V = 0.16 mag이며, 광학 대역에서 색상 초과는 약 ~1 mag에 이르렀다.
• SDSS 유사 선택 기준에 의해 약 10%의 은하핵이 먼지 적색화로 인해 누락될 수 있으며, 이 수치는 다중 흡수체 편향으로 인해 실제로는 과소평가될 가능성이 있다.
• 먼지가 많은 QSO-DLA는 높은 금속 기수 밀도(log N(H i) + [X/H])를 가지며, 일반적인 QSO-DLA보다는 GRB-DLA와 더 유사하다.
• 이 연구는 QSO와 GRB로 선택된 DLA 샘플 모두가 먼지 편향을 겪고 있으며, 이는 천체의 화학적 풍부도와 기체 질량 밀도 추정에 영향을 미친다는 것을 암시한다.