[논문 리뷰] ALMA unveils a triple merger and gas exchange in a hyper-luminous radio galaxy at z=2: the Dragonfly Galaxy (II)

Bjorn Emonts, C. De Breuck외 10명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 08.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 42인용 수 10

한 줄 요약

ALMA 관측은 초광도 라디오은하계 드래곤플라이 은하(z=1.92)가 분자 가스가 풍부한 삼중합성계로서 극도로 강한 항성 형성과 가스 재분배를 겪고 있으며, 분자 가스가 최대 연간 약 ~2900 M⊙ yr⁻¹의 속도로 이동하고 있음을 드러냈다—이는 약 ~3000 M⊙ yr⁻¹의 항성 형성률과 유사하다—이에 따라 중력적 상호작용이나 외부 기류와 같은 천체역학적 과정이 고적색 이동 고속도의 거대 은하계에서 항성 형성의 촉진과 조절에 핵심적인 역할을 한다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

The Dragonfly Galaxy (MRC0152-209), at redshift z~2, is one of the most vigorously star-forming radio galaxies in the Universe. What triggered its activity? We present ALMA Cycle 2 observations of cold molecular CO(6-5) gas and dust, which reveal that this is likely a gas-rich triple merger. It consists of a close double nucleus (separation ~4 kpc) and a weak CO-emitter at ~10 kpc distance, all of which have counterparts in HST/NICMOS imagery. The hyper-luminous starburst and powerful radio-AGN were triggered at this precoalescent stage of the merger. The CO(6-5) traces dense molecular gas in the central region, and complements existing CO(1-0) data, which revealed more widespread tidal debris of cold gas. We also find ~10$^{10}$ M(sun) of molecular gas with enhanced excitation at the highest velocities. At least 20-50% of this high-excitation, high-velocity gas shows kinematics that suggests it is being displaced and redistributed within the merger, although with line-of-sight velocities of |v| < 500 km/s, this gas will probably not escape the system. The processes that drive the redistribution of cold gas are likely related to either the gravitational interaction between two kpc-scale discs, or starburst/AGN-driven outflows. We estimate that the rate at which the molecular gas is redistributed is at least ~1200 +- 500 M(sun)/yr, and could perhaps even approach the star formation rate of ~3000 +- 800 M(sun)/yr. The fact that the gas depletion and gas redistribution timescales are similar implies that dynamical processes can be important in the evolution of massive high-z galaxies.

연구 동기 및 목표

• 고적색 이동 고속도의 초광도 라디오은하계에서 극단적인 항성 형성과 AGN 활동을 유도하는 냉각 분자 가스의 역할을 조사한다.
• z~2에서의 최고 활동 상태를 유도하는 주요 메커니즘이 가스가 풍부한 합성계인지 규명한다.
• 드래곤플라이 은하에서의 가스 재분배 역학과 항성 형성 및 피드백 과정과의 연관성을 평가한다.
• 고해상도 ALMA 데이터를 활용하여 전합성계 단계의 복합계에서 분자 가스의 운동학적 특성과 진동 상태를 해석한다.
• 조우력이 아닌 AGN 또는 항성 폭발에 의해 유도되는 기류가 관측된 가스 운동학과 질량 이동에 더 큰 영향을 미치는지 명확히 한다.

제안 방법

• z=1.92에서 CO(6-5) 복사 및 먼지 연속 스펙트럼을 고해상도(0.3″)로 ALMA Cycle 2 관측을 수행하였다.
• 기존의 CO(1-0) 데이터와 CO(6-5) 데이터를 융합하여 밀도가 높은 중심 가스와 넓게 퍼진 조우 퇴적물 모두를 추적하였다.
• 운동학 모델링을 통해 관계식 Ṁ ≈ M_H2 × v_ejecta × R⁻¹를 활용해 가스 질량 이동률을 추정하였다.
• 켄니컷-스미스 법칙을 적용하여 적외선 복사량(L_IR ~ 2×10¹³ L⊙)으로부터 항성 형성률을 추정하였다.
• 핵들 사이의 거리가 4 kpc일 때의 탈출 속도(약 1000 km s⁻¹)를 계산하여 중력 결속 상태를 평가하였다.
• 에너지 예산을 평가하여 AGN 및 초신성 피드백이 관측된 기류를 유도할 수 있는지 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 드래곤플라이 은하에서 초광도 항성 폭발과 강력한 라디오 AGN를 유도하는 삼중합성계의 역할은 무엇인가?
• RQ2 분자 가스는 어떻게 합성계 내에서 재분배되고 있으며, 이러한 재분배를 이끄는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 가스 질량 이동률은 얼마이며, 항성 형성률과 가스 고갈 시간 상수와 비교해 볼 때 어떠한가?
• RQ4 관측된 고속도 가스는 중력적으로 결속되어 있는가, 아니면 시스템에서 탈출하고 있는가?
• RQ5 조우력 또는 AGN/항성 폭발에 의해 유도되는 기류 중 어느 것이 관측된 가스 운동학과 진동 상태에 더 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 드래곤플라이 은하는 서로 가까이 떨어진 이중핵(분리 거리 ~4 kpc)과 제3의 CO 복사 성분(약 10 kpc 거리)을 포함한 삼중합성계이며, HST/NICMOS 영상에서 모두 확인되었다.
• CO(6-5)는 중심 영역의 밀도가 높은 분자 가스를 추적하지만, CO(1-0)는 넓게 퍼진 조우 퇴적물을 드러내어 합성의 전단계에 있는 합성계임을 시사한다.
• 최소 10¹⁰ M⊙의 분자 가스가 향상된 진동 상태와 고속도 기류 유사 운동학을 보이며, 시선 방향 속도가 500 km s⁻¹ 이하이다.
• 최소 연간 약 ~1200 ± 500 M⊙ yr⁻¹의 속도로 가스가 재분배되고 있으며, 최대 약 ~2900 ± 1600 M⊙ yr⁻¹까지 가능할 수 있으며, 이는 관측된 항성 형성률 약 ~3000 ± 800 M⊙ yr⁻¹과 유사하다.
• 가스 재분배와 고갈 시간 상수가 유사한 약 11 Myr로, 천체역학적 과정이 고적색 이동 고속도 거대 은하계에서 번갈아 나타나는 항성 형성의 조절에 기여할 수 있음을 시사한다.
• 관측된 고속도 가스는 중력적으로 결속되어 있다(탈출 속도 약 1000 km s⁻¹) — 이는 향후 항성 형성의 연료 저축지로 남아 있을 가능성이 높다.