[논문 리뷰] An Extreme Starburst in Close Proximity to the Central Galaxy of a Rich Galaxy Cluster at z=1.7

Tracy Webb, Allison Noble외 20명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 20.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 78인용 수 27

한 줄 요약

이 연구는 z=1.7089에서 관측된 희귀하고 풍부한 은하단에서 중심 브라이テスト 클러스터 은하(BCG)에 극단적인 은하 형성 폭발이 일어나고 있는 것을 규명한다. 이는 가스가 풍부한 상호작용에 의해 촉발된다. 다중 파장 데이터 분석을 통해 은하 형성 속도는 약 860 M☉/년으로 밝혀졌으며, 최근의 수분 융합을 시사하는 66 kpc 길이의 '줄줄이 구슬' 구조가 존재한다. 이는 고적색도에서 빠른 BCG 질량 형성의 직접적인 증거를 제공한다.

ABSTRACT

We have discovered an optically rich galaxy cluster at z=1.7089 with star formation occurring in close proximity to the central galaxy. The system, SpARCS104922.6+564032.5, was detected within the Spitzer Adaptation of the red-sequence Cluster Survey, (SpARCS), and confirmed through Keck-MOSFIRE spectroscopy. The rest-frame optical richness of Ngal(500kpc) = 30+/-8 implies a total halo mass, within 500kpc, of ~3.8+/-1.2 x 10^14 Msun, comparable to other clusters at or above this redshift. There is a wealth of ancillary data available, including Canada-France-Hawaii Telescope optical, UKIRT-K, Spitzer-IRAC/MIPS, and Herschel-SPIRE. This work adds submillimeter imaging with the SCUBA2 camera on the James Clerk Maxwell Telescope and near-infrared imaging with the Hubble Space Telescope (HST). The mid/far-infrared (M/FIR) data detect an Ultra-luminous Infrared Galaxy spatially coincident with the central galaxy, with LIR = 6.2+/-0.9 x 10^12 Lsun. The detection of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) at z=1.7 in a Spitzer-IRS spectrum of the source implies the FIR luminosity is dominated by star formation (an Active Galactic Nucleus contribution of 20%) with a rate of ~860+/-30 Msun/yr. The optical source corresponding to the IR emission is likely a chain of of > 10 individual clumps arranged as "beads on a string" over a linear scale of 66 kpc. Its morphology and proximity to the Brightest Cluster Galaxy imply a gas-rich interaction at the center of the cluster triggered the star formation. This system indicates that wet mergers may be an important process in forming the stellar mass of BCGs at early times.

연구 동기 및 목표

• 고적색도에서 거대한 브라이テスト 클러스터 은하(BCG)의 초기 형성 과정에서 수분 융합의 역할을 조사하기 위해.
• z=1.7에서 희귀한 광학적으로 풍부한 은하단의 중심 은하의 은하 형성 활동과 구조적 형태를 특성화하기 위해.
• 초기 천문학적 시대의 은하단 중심부에서 극단적인 은하 형성 폭발의 연료 공급원으로 냉각 흐름과 은하 상호작용 중 어느 것이 지배적인지 규명하기 위해.
• 은하단 중심 은하의 초저온 적외선 복사에서 은하 형성과 AGN 활동이 각각 얼마나 기여하고 있는지 평가하기 위해.
• 최근의 가스가 풍부한 상호작용이 은하 형성 폭발을 촉발한 동적 및 구조적 증거를 평가하기 위해.

제안 방법

• Keck-MOSFIRE를 이용한 은하단의 스펙트로스코픽 확인으로, 적색편이 z=1.7089를 확정하고 27개의 구성 은하를 식별하였다.
• Spitzer/IRAC의 3.6 µm 이미징을 통한 광학적 빈도 추정으로, 500 kpc 이내에서 N_gal = 30 ± 8을 산정하였다.
• 속도 분산(430+80/-100 km/s)과 표준 스케일링 관계를 이용한 질량 추정으로, 500 kpc 이내에서 M ≈ 3.8 ± 1.2 × 10^14 M☉를 산정하였다.
• HST/WFC3 적외선 이미징, SCUBA2 밀리미터파, Spitzer/MIPS/IRAC, Herschel/SPIRE, CFHT/UKIRT 데이터를 융합한 다중 파장 분석을 통해 SED 및 구조를 탐색하였다.
• Spitzer-IRS를 이용한 적외선 스펙트럼 분석으로 다환화합물(PAH) 특징을 탐지하여, 은하 형성 활동이 AGN보다 지배적임을 확인(AGN 기여도 20% 이하).
• 중앙 영역의 형태 분해를 통해 '줄줄이 구슬' 구조를 식별하고, 중간/장파장 적외선 복사와의 공간적 상관관계를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이 z=1.7 은하단의 중심 은하에서 관측된 극단적인 은하 형성 속도(~860 M☉/년)의 기원은 무엇인가요?
• RQ2 BCG의 은하 형성은 냉각 흐름에 의해 유도되었는지, 아니면 가스가 풍부한 은하의 최근 수분 융합에 의해 유도되었는지?
• RQ3 이 은하단의 동적 질량과 구조적 빈도는 무엇이며, 다른 z>1.5 은하단과 비교해보면 어떻게 되는가요?
• RQ4 초저온 적외선 복사(L_IR = 6.2 ± 0.9 × 10^12 L☉)는 은하 형성과 AGN 활동 중 어느 쪽에 의해 주로 유도되는가요?
• RQ5 중앙 영역에서 관측된 '줄줄이 구슬' 클러스터는 은하 형성과 융합 역사와 어떻게 관련되어 있는가요?

주요 결과

• z=1.7089에서 스펙트로스코픽으로 확인된 은하단은 구성 은하 27개를 포함하여 빈도가 높고 고적색도임을 확인하였다.
• 500 kpc 이내에서 은하단의 질량은 3.8 ± 1.2 × 10^14 M☉로 추정되었으며, 이는 z>1.5에서 관측된 다른 거대 은하단과 일치한다.
• 브라이テスト 클러스터 은하(BCG)는 L_IR = 6.2 ± 0.9 × 10^12 L☉의 초저온 적외선 소스를 보이며, 극도로 활발한 은하 형성 활동을 나타낸다.
• Spitzer-IRS 스펙트럼 분석을 통해 z=1.7에서 PAH 특징을 탐지하여, 적외선 복사의 대부분이 은하 형성에 기인함을 확인하였고, 보정된 은하 형성 속도는 약 860 ± 130 M☉/년으로 산정되었다.
• HST/WFC3 이미징을 통해 66 kpc 길이의 덩어리로 이루어진 구조가 관측되었으며, 이는 '줄줄이 구슬'과 유사하고, 중간/장파장 적외선 복사와 공간적으로 일치한다. 이는 지속적이거나 최근의 상호작용에 의해 촉발된 은하 형성임을 시사한다.
• 은하 형성 폭발이 가스가 풍부한 상호작용에 의해 유도되었을 가능성이 높으며, 이는 고적색도에서 BCG 질량 형성의 새로운 경로를 시사한다.