[논문 리뷰] ALMA Confirmation of an Obscured Hyperluminous Radio-Loud AGN at $z=6.853$ Associated with a Dusty Starburst in the 1.5 deg$^2$ COSMOS Field

Ryan Endsley, Daniel P. Stark외 8명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 31.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 COSMOS 영역에서 z=6.853에 위치한 초광도이며 라디오가 강한 활성은하핵(AGN)의 ALMA 확인 결과를 제시한다. 이 AGN는 먼지로 뒤덮인 항성 폭발을 수반하며, 158 μm 연속 스펙트럼 빛의 세기는 9×10¹² L⊙이고 항성 형성률은 1300 M⊙/yr이다. AGN는 매우 높은 은폐도(τ₉.₇≈2.3)를 보이며, 볼로메트릭 빛의 세기는 약 5×10¹³ L⊙로, 약 1.6×10⁹ M⊙의 블랙홀이 에딩턴 한계에 가까운 속도로 물질을 붙들고 있음을 시사한다. 이는 재이온화 시대에 존재하는 매우 희귀하고 깊이 은폐된 퀘이사 유사체로서 매우 중요한 발견이다.

ABSTRACT

We present band 6 ALMA observations of a heavily-obscured radio-loud ($L_{1.4\ \mathrm{GHz}}=10^{25.4}$ W Hz$^{-1}$) AGN candidate at $z_\mathrm{phot}=6.83\pm0.06$ found in the 1.5 deg$^2$ COSMOS field. The ALMA data reveal detections of exceptionally strong [CII]158$μ$m ($z_\mathrm{[CII]}=6.8532$) and underlying dust continuum emission from this object (COS-87259), where the [CII] line luminosity, line width, and 158$μ$m continuum luminosity are comparable to that seen from $z\sim7$ sub-mm galaxies and quasar hosts. The 158$μ$m continuum detection suggests a total infrared luminosity of $9 imes10^{12}$ $L_\odot$ with corresponding very large obscured star formation rate (1300 $M_\odot$/yr) and dust mass ($2 imes10^9$ $M_\odot$). The strong break seen between the VIRCam and IRAC photometry perhaps suggests that COS-87259 is an extremely massive reionization era galaxy with $M_\ast\approx1.7 imes10^{11}$ $M_\odot$. Moreover, the MIPS, PACS, and SPIRE detections imply that this object harbors an AGN that is heavily obscured ($τ_{_{\mathrm{9.7μm}}}=2.3$) with a bolometric luminosity of approximately $5 imes10^{13}$ $L_\odot$. Such a very high AGN luminosity suggests this object is powered by an $\approx$1.6 $ imes$ 10$^9$ $M_\odot$ black hole if accreting near the Eddington limit, and is effectively a highly-obscured version of an extremely UV-luminous ($M_{1450}\approx-27.3$) $z\sim7$ quasar. Notably, these $z\sim7$ quasars are an exceedingly rare population ($\sim$0.001 deg$^{-2}$) while COS-87259 was identified over a relatively small field. Future very wide-area surveys with, e.g., Roman and Euclid have the potential to identify many more extremely red yet UV-bright $z\gtrsim7$ objects similar to COS-87259, providing richer insight into the occurrence of intense obscured star formation and supermassive black hole growth among this population.

연구 동기 및 목표

• 깊은 광역 탐색에서 z≈7 근처의 매우 희귀한 초광도이며 라디오가 강한 AGN 후보를 식별하고 특성화하기 위해.
• 1.5 deg²의 COSMOS 영역 내에서 매우 은폐된 UV가 밝은 소스인 COS-87259의 성격을 다중파장 후속 관측을 통해 규명하기 위해.
• ALMA와 다중 대역 광도 측정을 통해 고적색도 AGN-은하계 시스템의 항성 형성률, 먼지 질량, 블랙홀 질량을 측정하기 위해.
• 깊은 밀리미터파 및 라디오 관측을 통해 재이온화 시대의 거대 은하에서 은폐된 AGN와 극도로 활발한 항성 형성의 퍼근성을 평가하기 위해.
• 향후 광역 탐색(예: Roman, Euclid)이 더 큰 부피에서 유사한 극단적 천체를 탐지할 잠재력을 평가하기 위해.

제안 방법

• z=6.853에 위치한 COS-87259에서 [CII]158 μm 방출선과 먼지 연속 스펙트럼을 탐지하기 위해 깊은 밴드 6 ALMA 관측을 수행하였다.
• HST, Spitzer/IRAC, Herschel/PACS, SPIRE, MIPS의 다중파장 광도 측정 데이터와 ALMA 데이터를 융합하여 스펙트럼 에너지 분포(SED) 모델링을 수행하였다.
• SED 피팅을 통해 먼지 은폐도(τ₉.₇=2.3), 전체 적외선 빛의 세기(9×10¹² L⊙), 항성 형성률(1300 M⊙/yr)을 추정하였다.
• 에딩턴 한계에 가까운 물질 붙들기 가정 하에 볼로메트릭 빛의 세기(~5×10¹³ L⊙)로부터 블랙홀 질량(~1.6×10⁹ M⊙)을 유추하였다.
• SED 모델링을 통해 별의 질량을 평가하였으며, 표준 가정 하에 M∗≈1.7×10¹¹ M⊙의 값을 도출하였지만, 항성 형성 역사에 민감하게 의존한다.
• 이러한 천체의 희귀성을, 현지의 퀘이사 및 밀리미터파 은하 밀도와 비교하여 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 COSMOS 영역 내 z≈6.85에서 매우 은폐된 라디오가 강한 AGN 후보인 COS-87259의 성격은 무엇인가요?
• RQ2 ALMA 및 적외선 영역 광도 측정을 통해 이 AGN의 은하계 주변에서 유추되는 항성 형성률과 먼지 질량은 무엇인가요?
• RQ3 이 AGN를 추진하는 초거대 블랙홀의 질량은 얼마이며, 에딩턴 한계에 가까운 속도로 물질을 붙들고 있나요?
• RQ4 초광도이며 깊이 은폐된 AGN와 극도로 활발한 항성 형성이 있는 천체는 초기 우주에서 얼마나 흔한가요? 이는 재이온화 시대 은하 진화에 어떤 함의를 갖나요?
• RQ5 향후 광역 탐색(예: Roman, Euclid)이 더 넓은 영역에서 유사한 극단적 천체를 탐지할 잠재력은 무엇인가요?

주요 결과

• ALMA는 z=6.8532에서 강한 [CII]158 μm 방출선과 158 μm 먼지 연속 스펙트럼을 탐지하여, 거대하고 먼지로 뒤덮인 항성 폭발을 수반하는 은하계 주변의 존재를 확인하였다.
• 158 μm 연속 스펙트럼 빛의 세기는 전체 적외선 빛의 세기가 9×10¹² L⊙임을 시사하며, 먼지 질량은 2×10⁹ M⊙로 추정된다.
• 항성 형성률은 1300 M⊙/yr로 추정되며, 이는 z≈7 밀리미터파 은하에서 극도로 활발한 항성 폭발 활동과 일치한다.
• AGN는 τ₉.₇=2.3로 매우 깊이 은폐되어 있으며, 볼로메트릭 빛의 세기는 약 5×10¹³ L⊙로, 에딩턴 한계에 가까운 물질 붙들기 가정 하에 블랙홀 질량은 약 1.6×10⁹ M⊙로 추정된다.
• 별의 질량 추정치는 1.7×10¹¹ M⊙로, 지역의 블랙홀-은하계 스케일링 관계를 크게 초월하며, 이는 초기에 극도로 빠른 성장을 겪었음을 시사한다.
• 이러한 천체는 매우 희귀하며 약 0.001 deg⁻²의 밀도를 보이며, 향후 Roman 및 Euclid와 같은 광역 탐색을 통해 더 많은 천체를 탐지할 수 있을 것으로 기대되며, 이는 재이온화 시대의 은폐된 AGN와 항성 형성의 전반적인 조사에 기여할 수 있다.