[논문 리뷰] An investigation of the circumgalactic medium around z~2.2 AGN with ACA and ALMA

G. C. Jones, R. Maiolino외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 30.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 z~2.2인 세 개의 활성 은하핵(AGN)의 은하간 매질(CGM) 내 분자 가스를 깊이 있는 ALMA 및 ACA 관측을 통해 조사한다. CO(3-2) 방출은 약 10–50 kpc까지 연장되며, 은하보다 약 10배 큰 CGM 저축과 일치하지만, 20 kpc를 초과해 거대한 분자 대기권이 존재하지는 않으며, 이는 이전에 200 kpc 스케일의 대기권이 존재한다는 주장에 도전한다. 500 kpc 이상의 스케일에서의 약 2σ의 부정적 연속 신호는 AGN에 의해 가열된 대기권에서 기인할 수 있는 수인예르-절도비치 효과를 암시하며, AGN 피드백에 대한 직접적 증거를 제시한다.

ABSTRACT

While observations of molecular gas at cosmic noon and beyond have focused on the gas within galaxies (i.e., the interstellar medium; ISM), it is also crucial to study the molecular gas reservoirs surrounding each galaxy (i.e., in the circumgalactic medium; CGM). Recent observations of galaxies and quasars hosts at high redshift (z>2) have revealed evidence for cold gaseous halos of scale r_CGM~10kpc, with one discovery of a molecular halo with r_CGM~200kpc and a molecular gas mass one order of magnitude larger than the ISM of the central galaxy. As a follow-up, we present deep ACA and ALMA observations of CO(3-2) from this source and two other quasar host galaxies at z~2.2. While we find evidence for CO emission on scales of r~10kpc, we do not find evidence for molecular gas on scales larger than r>20 kpc. Therefore, our deep data do not confirm the existence of massive molecular halos on scales of ~100 kpc for these X-ray selected quasars. As an interesting by-product of our deep observations, we obtain the tentative detection of a negative continuum signal on scales larger than r>200kpc, which might be tracing the Sunyaev-Zeldovich effect associated with the halo heated by the active galactic nucleus (AGN). If confirmed with deeper data, this could be direct evidence of the preventive AGN feedback process expected by cosmological simulations.

연구 동기 및 목표

• z~2.2 고적색도의 활성 은하핵 주변 은하간 매질(CGM) 내 분자 가스의 존재와 분포를 조사하기 위해.
• 이전에 일부 고적색도 퀘이사에서 보고된 약 100 kpc 스케일의 거대한 분자 대기권의 존재를 검증하기 위해.
• 간섭계 해상도가 이전에 CGM 내 확장된 CO 방출을 감지한 데 영향을 미쳤는지 평가하기 위해.
• 은하간 매질 내 고온 상태의 가열된 대기권에서 기인하는 수인예르-절도비치(S-Z) 효과를 통해 AGN 피드백의 간접적 증거를 찾기 위해.

제안 방법

• z~2.2에서 X선으로 선택된 세 개의 퀘이사에 대해 Atacama Compact Array(ACA)와 ALMA를 사용해 깊은 CO(3-2) 선 관측을 수행하였다.
• ACA와 ALMA 데이터를 융합하여, ALMA가 해결하는 작은 공간 스케일과 ACA가 해결하는 큰 공간 스케일의 방출을 복원하였다.
• 보기 데이터와 반경 방사형 밝기 프로파일을 분석하여, ALMA 단독으로는 해결되지 않는 확장된 CO 방출을 탐지하였다.
• 모든 세 개의 소스에서 연속 보기를 스택하여, 열적 수인예르-절도비치 효과를 암시하는 대규모 부정적 연속 신호를 검색하였다.
• ALMA의 고감도를 활용해 압축 및 확장된 CO 성분을 탐지하고, 각 기기 간의 복사 밀도를 비교하여 누락된 복사량을 평가하였다.
• CO 방출이 이중 성분 모델과 일관된지 평가하였다: 압축된 은하 내 매질(ISM) 성분(r < 1–2 kpc)과 더 넓게 확장된 CGM 성분(r ~ 10–50 kpc).

Figure 1 : Continuum images ( $\lambda_{\mathrm{rest}}\sim 870\,\mu m$ ) for each galaxy. Contours are displayed at significance levels of $\pm(2,3,4\ldots)\times\sigma$ , where $1\sigma$ is the RMS noise level of the image. The top row shows ACA data (left to right: $1\sigma=[60,50,60]\,\mu$ Jy bea

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z~2.2 AGN의 CGM에서 약 100–200 kpc까지 연장되는 거대한 분자 대기권이 존재하는가, 이는 이전에 보고된 바와 같은가?
• RQ2 이 AGN의 CGM 내 확장된 CO(3-2) 방출은 ACA와 ALMA로 감지 가능한가, 아니면 간섭계 해상도로 인해 필터링되어 버리는가?
• RQ3 500 kpc 이상의 스케일에서의 부정적 연속 신호는 AGN에 의해 가열된 대기권에서 기인하는 열적 수인예르-절도비치 효과로 해석될 수 있는가?
• RQ4 고적색도 AGN의 CGM 내 분자 가스의 공간적 범위와 형태는 무엇이며, 중심 은하의 ISM과 비교해 보면 어떠한가?
• RQ5 고적색도 퀘이사에서 S-Z 효과를 통해 AGN 피드백에 의한 대기권 가열이 감지 가능한가?

주요 결과

• CO(3-2) 방출은 ACA로 두 개의 소스(CID_346 및 X_N_44_64)에서, ALMA로 세 개의 소스에서 모두 감지되어 간섭계 필터링으로 인한 유의미한 복사 손실이 없음을 시사한다.
• ACA 데이터에서의 CO 방출은 40–50 kpc 이내에서 해상도가 떨어지며, 이는 50 kpc를 초과해 거대한 분자 가스 성분이 존재하지 않음을 시사한다.
• ALMA 데이터는 압축된 성분(r < 1–2 kpc)과 약한 확장된 성분(r ~ 10–50 kpc)을 드러내며, ISM보다 약 10배 큰 CGM 저축이 존재함을 확인한다.
• 20 kpc를 초과해 분자 가스가 존재하지 않는다는 증거는 유사한 AGN에서 200 kpc 스케일의 분자 대기권이 존재한다는 이전 주장과 모순된다.
• 500 kpc 이상의 스케일에서 약 2σ의 부정적 연속 신호가 관측되었으며, 이는 AGN에 의해 가열된 대기권에서 기인하는 열적 수인예르-절도비치 효과와 일치한다.
• 이 부정적 S-Z 신호가 확인된다면, AGN 피드백에 의한 대기권 가열을 직접적으로 뒷받침하는 관측적 증거가 될 것이며, 은하 진화 억제의 핵심 메커니즘으로서의 중요성을 지닌다.

Figure 2 : Radial profile of the real part of the stacked observed continuum visibilities from ACA data, including only channels without line emission (maroon points). Top: The results of fitting three models are shown: a single Gaussian (brown line), a constant value (light blue line), and an offse