[논문 리뷰] Discovery of eight z ~ 6 quasars from Pan-STARRS1

Eduardo Bañados, Bram Venemans외 25명|Digital Access to Scholarship at Harvard (DASH) (Harvard University)|2014. 05. 15.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 팬스타르스1 설문 조사에서 적색이동 z ~ 6에서 여덟 개인 새로운 활성은하핵을 다각도 선택 전략(광학 및 적외선 데이터 통합)을 사용하여 발견하였다. 발견 결과는 이전에 관측된 바보다도 초기 천체 시대에 더 높은 비율의 약한 선을 가진 활성은하핵(quasars)이 존재함을 시사하며, z > 5.7에서 이러한 물체의 수가 더 풍부할 수 있음을 시사하지만, 이 경향을 확인하기 위해서는 더 큰 표본이 필요하다.

ABSTRACT

High-redshift quasars are currently the only probes of the growth of supermassive black holes and potential tracers of structure evolution at early cosmic time. Here we present our candidate selection criteria from the Panoramic Survey Telescope & Rapid Response System 1 and follow-up strategy to discover quasars in the redshift range 5.75.7 by more than 10%. We additionally recovered 18 previously known quasars. The eight quasars presented here span a large range of luminosities (-27.3 < M_{1450} < -25.4; 19.6 < z_ps1 < 21.2) and are remarkably heterogeneous in their spectral features: half of them show bright emission lines whereas the other half show a weak or no Ly$α$ emission line (25% with rest-frame equivalent width of the Ly$α$ + Nv line lower than 15Å). We find a larger fraction of weak-line emission quasars than in lower redshift studies. This may imply that the weak-line quasar population at the highest redshifts could be more abundant than previously thought. However, larger samples of quasars are needed to increase the statistical significance of this finding.

연구 동기 및 목표

• 팬스타르스1 설문 조사의 자료를 활용하여 z ~ 6에서 고적색이동 활성은하핵을 식별함으로써 초기 초거대 블랙홀 및 은하 형성에 대한 중요한 통찰을 제공하고자 한다.
• 우주의 재이온화 시기 동안 초거대 블랙홀의 성장과 간성간 매질의 상태에 대한 제약 조건을 향상시키고자 한다.
• 특히 Lyα 선이 약하거나 없는 경우의 비율을 고려하여 z > 5.7에서 활성은하핵의 스펙트럼 다양성을 조사하고자 한다.
• 지식의 z > 5.7 활성은하핵 표본 크기를 10퍼센트 이상 증가시켜 천체물리학 연구에 대한 통계적 능력을 강화하고자 한다.

제안 방법

• 팬스타르스1의 3π 설문 조사에서 gP1, rP1, iP1, zP1, yP1 필터를 사용한 광학 색상과 광학적 적색이동 추정치를 기반으로 후보자 선택 전략을 적용하였다.
• 활성은하핵의 적색이동과 방출선 특성을 확인하기 위해 주요 지상 기반 천체망원경을 활용한 후속 스펙트럼 측정을 수행하였다.
• 원천 신뢰도 향상을 위해 WISE 전천문 설문 조사 자료를 통합하여 적외선 대응체를 식별하였다.
• 광학적 적색이동 추정치와 색상-색상 절단 기준을 사용하여 항성 및 은하 오염물질에서 고적색이동 후보자를 분리하였다.
• 교차 확인을 위해 W1 대역에서 신호 대 잡음비(S/N > 5.0) 기준을 적용하여 신뢰도 높은 WISE 검출 결과를 선별하였다.
• 휴대형 기준 등가 폭을 기반으로 Lyα + Nv 방출선을 분류하여 스펙트럼 다양성을 평가하였다.

Figure 1.— Left: the bottom panel shows the PS1 capture cross section in units of m 2 e -1 photon -1 for the $i_{\rm P1}$ , $z_{\rm P1}$ , and $y_{\rm P1}$ bands (Tonry et al., 2012 ) . The three upper panels show the composite quasar spectrum from Decarli et al. ( 2010 ) (with the intergalactic med

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z ~ 6에서 활성은하핵의 빛의 세기 분포와 스펙트럼 특성은 어떻게 되며, 특히 약한 또는 없는 Lyα 방출선을 보이는 비율은 얼마인가?
• RQ2 z ~ 6에서의 약한 선을 가진 활성은하핵 인구는 낮은 적색이동에서의 것과 비교해 어떻게 다른가? 이는 활성은하핵 진화에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 팬스타르스1 설문 조사는 고적색이동 활성은하핵을 효율적으로 발견할 수 있는가? 이 설문 조사의 수확률은 이전의 광학 설문 조사와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 z ~ 6에서 활성은하핵은 재이온화 시기와 간성간 매질 상태를 탐색하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 z ~ 6에서 약한 선을 가진 활성은하핵과 강한 선을 가진 활성은하핵 간에 은하계 또는 블랙홀 질량 특성에 체계적인 차이가 있는가?

주요 결과

• 이 연구는 적색이동 범위 5.7 ≤ z ≤ 6.0에 있는 여덟 개의 새로운 활성은하핵을 발견하여, z > 5.7 활성은하핵의 수를 10퍼센트 이상 증가시켰다.
• 신규 활성은하핵의 빛의 세기는 M1450 = -27.3에서 M1450 = -25.4에 이르는 넓은 범위를 차지하며, 다양한 복사 상태를 나타낸다.
• 반은 강한 방출선을 보이며, 나머지 반은 약하거나 Lyα 방출선이 없는 경우로, 전체의 25퍼센트는 Lyα + Nv의 휴대형 기준 등가 폭이 15 Å 이하였다.
• z ~ 6에서 관측된 약한 선을 가진 활성은하핵의 비율은 이전의 낮은 적색이동 연구보다 높았으며, 이는 초기 천체 시대에 이러한 물체가 더 흔할 수 있음을 시사한다.
• 팀은 또한 18개의 이전에 알려진 활성은하핵을 복원하여 선택 및 후속 전략의 효과성을 검증하였다.
• 활성은하핵은 뚜렷한 빛의 세기와 방출선 강도 간의 상관관계 없이 상당한 스펙트럼 이질성을 보이며, 이는 광역 방출선 영역 내에서 다양한 물리적 조건을 반영한다.

Figure 2.— Spectra of the nine newly discovered PS1 quasars at $5.70\leq z\leq 6.00$ . The quasar PSO J215.1514–16.0417 was published in Morganson et al. ( 2012 ) . Here we show the discovery spectra of the new quasars (with the exception of PSO J340.2041–18.6621 whose EFOSC2 discovery spectrum had