[논문 리뷰] Caught in the Act: The Assembly of Massive Cluster Galaxies at z=1.62

Jennifer M. Lotz, Casey Papovich외 14명|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 17.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 8인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 CANDELS의 허블 WFC3 적외선 영상 자료를 이용해 z=1.62의 고적색도 프로토클러스터에서 거대 은하의 빠른 형성 과정을 조사한다. 거대 클러스터 은하의 42%가 밀접한 쌍성 또는 이중핵을 가지고 있으며, 이는 필드 은하의 비율보다 10배 이상 높다. 이는 주로 비발산적 융합을 통한 가속화된 형성 과정을 시사하며, 일부 시스템은 이중 AGN를 포함하고 있어 조밀한 환경에서의 빠른 초기 성장을 시사한다.

ABSTRACT

We present the recent merger history of massive galaxies in a spectroscopically-confirmed proto-cluster at z=1.62. Using HST WFC3 near-infrared imaging from the Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey (CANDELS), we select cluster galaxies and z ~ 1.6 field galaxies with M_star >= 3 x 10^10 M_sun, and determine the frequency of double nuclei or close companions with projected separations less than 20 kpc co-moving and stellar mass ratios between 1:1 and roughly 10:1. We find that four out of five spectroscopically-confirmed massive proto-cluster galaxies have double nuclei, and 42 +13/-25 % of all M_star >= 3 x 10^10 M_sun cluster candidates are either in close pair systems or have double nuclei. In contrast, only 4.5 +/- 2.6% of the field galaxies are in close pair/double nuclei systems. The implied merger rate per massive galaxy in the proto-cluster is 3-10 times higher than the merger rate of massive field galaxies at z ~ 1.6, depending upon the assumed mass ratios. Close pairs in the cluster have minor merger stellar mass ratios (M_primary:M_satellite ~ 6:1), while the field pairs are typically major mergers with stellar mass ratios between 1:1 and 4:1. At least half of the cluster mergers are dissipationless, as indicated by their red colors and low 24 micron fluxes. Two of the double-nucleated cluster members have X-ray detected AGN with L_x > 10^43 erg/s, and are strong candidates for dual or offset super-massive black holes. We conclude that the massive z = 1.62 proto-cluster galaxies are undergoing accelerated assembly relative to the field population, and discuss the implications for galaxy evolution in proto-cluster environments.

연구 동기 및 목표

• 고적색도(z≈1.62)의 조밀한 프로토클러스터 환경에서 거대 은하의 형성과 진화를 이해하기 위해.
• 프로토클러스터 내 거대 은하가 필드 은하에 비해 융합을 통해 더 가속화된 형성 과정을 겪는지 테스트하기 위해.
• 이 시스템에서 은하 성장을 이끄는 융합의 성격(주요 대비 소형, 건조 대비 습기)을 규명하기 위해.
• 프로토클러스터 내 융합 시스템에서 AGN 활동과 항성 형성의 역할을 평가하기 위해.
• 클러스터의 비틀림 상태가 중심 은하의 추가 질량 형성 과정을 조절하거나 정지시킬 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• CANDELS 조사의 허블 WFC3 적외선 영상 자료를 이용해 z=1.62의 스펙트럼적으로 확인된 프로토클러스터 내 거대 은하(M_star ≥ 3×10^10 M_sun)를 식별하였다.
• 공면 상의 분리 거리 <20 kpc 공면 거리 및 항성 질량 비율(1:1에서 10:1)을 측정하여 이중핵 및 밀접한 동반 천체를 분류하였다.
• 유사한 적색도와 항성 질량에서 프로토클러스터 은하와 필드 은하의 융합 빈도를 비교하였다.
• SED 피팅과 24 μm 플럭스 측정을 이용해 비발산적(빨간색, 낮은 24 μm) 또는 항성 형성 중(파란색, 높은 24 μm) 융합으로 분류하였다.
• 이중핵 시스템 내에서 X선으로 감지된 AGN(L_X > 10^43 erg s⁻¹)을 식별하여 이중 또는 이격된 초거대 블랙홀의 존재 여부를 탐색하였다.
• 융합 시간스케일과 질량 증가 요구 조건을 평가하여 계층적 은하 형성 모델과의 일관성을 검토하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z=1.62 프로토클러스터 내 거대 은하에서 밀접한 쌍성 및 이중핵의 빈도는 필드 은하에 비해 어떻게 다른가?
• RQ2 프로토클러스터 내 융합의 질량 비율 분포는 필드 융합과 어떻게 다를까?
• RQ3 색깔과 24 μm 플럭스를 기반으로 관측된 융합은 주로 건조(비발산적)인지 습기(항성 형성 중)인지인가?
• RQ4 이중핵을 가진 클러스터 은하 중 일부는 이중 또는 이격된 AGN를 포함하고 있는가? 이는 공진하는 초거대 블랙홀의 존재를 시사하는가?
• RQ5 프로토클러스터 내 관측된 융합 빈도는 오늘날 z≈0.8에서의 거대 클러스터 은하 형성에 충분한가?

주요 결과

• M_star ≥ 3×10^10 M_sun인 프로토클러스터 은하의 42%가 밀접한 쌍성 또는 이중핵을 가지고 있으며, z≈1.6에서 필드 은하의 비율인 4.5%에 비해 훨씬 높다.
• 스펙트럼적으로 확인된 5개의 거대 프로토클러스터 은하 중 4개가 이중핵을 보이며, 매우 높은 융합 비율을 시사한다.
• 밀접한 클러스터 쌍성은 주로 소형 융합 질량 비율(~6:1)을 보이며, 필드 쌍성은 일반적으로 주요 융합(1:1에서 4:1)을 보인다.
• 최소한 절반 이상의 클러스터 융합은 빨간색 색깔과 낮은 24 μm 플럭스로 인해 비발산적임을 시사한다.
• 이중핵을 가진 클러스터 구성원 2개가 L_X > 10^43 erg s⁻¹인 X선 감지 AGN를 포함하고 있어, 이중 또는 이격된 초거대 블랙홀의 존재를 시사한다.
• 프로토클러스터 내 융합 빈도는 필드보다 3–10배 높으며, 이는 조밀한 환경에 의해 가속화된 질량 형성 과정을 의미한다.