[논문 리뷰] High-excitation CO in a quasar host galaxy at z=6.42

F. Bertoldi, P. Cox외 9명|ArXiv.org|2003. 07. 23.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 26인용 수 138

한 줄 요약

이 연구는 z=6.42에서의 고적색편이를 보이는 고원자성 블랙홀 J1148+5251의 주변 은하에서 고-excited CO(6→5) 및 CO(7→6) 복사선을 IRAM Plateau de Bure 간섭계를 사용하여 탐지하였다. 이는 약 2×10¹⁰ M☉의 분자가스 질량을 밝혀내며, 밀도(~10⁵ cm⁻³)와 온도(~100 K)가 높아, 극도로 활발한 별 형성의 원천이 되는 거대하고 밀도 높은 가스 저축지가 존재함을 시사한다. 이는 관측된 별 형성률 약 3000 M☉ yr⁻¹이 1000만 년 이내로 지속되기 위해 빠르게 재충전되어야 한다는 것을 의미한다.

ABSTRACT

We report the detection of high excitation CO emission from the most distant quasar currently known, SDSS J114816.64+525150.3 (hereafter J1148+5251), at a redshift z=6.419. The CO (J=6-5) and (J=7-6) lines were detected using the IRAM Plateau de Bure interferometer, showing a width of ~280 km/s. An upper flux limit for the CO (J=1-0) line was obtained from observations with the Effelsberg 100-meter telescope. Assuming no gravitational magnification, we estimate a molecular gas mass of ~2x10^10 M_sun. Using the CO (3-2) observations by Walter et al. (2003), a comparison of the line flux ratios with predictions from a large velocity gradient model suggests that the gas is likely of high excitation, at densities ~10^5 cm^-3 and a temperature ~100 K. Since in this case the CO lines appear to have moderate optical depths, the gas must be extended over a few kpc. The gas mass detected in J1148+5251 can fuel star formation at the rate implied by the far-infrared luminosity for less than 10 million years, a time comparable to the dynamical time of the region. The gas must therefore be replenished quickly, and metal and dust enrichment must occur fast. The strong dust emission and massive, dense gas reservoir at z~6.4 provide further evidence that vigorous star formation is co-eval with the rapid growth of massive black holes at these early epochs of the Universe.

연구 동기 및 목표

• 가장 먼 알려진 원자성 블랙홀 J1148+5251의 주변 은하에서 분자가스의 존재와 물리적 조건을 조사하기 위해.
• 이 고적색편이 원자성 블랙홀 주변 은하의 분자가스 질량과 자극 조건을 규명하여, 원자성 블랙홀을 공급하는 데서 별 형성의 역할을 평가하기 위해.
• 고적색편이 원자성 블랙홀에서 관측된 적외선 원거리 복사가 블랙홀 활성핵(AGN)의 가열 때문이 아니라 별 형성 때문인지 테스트하기 위해.
• CO 선 비율과 공간 해상도를 이용하여 분자가스 저축지의 천체역학적 및 구조적 특성을 제약하기 위해.

제안 방법

• CO(6→5) 및 CO(7→6) 전이를 IRAM Plateau de Bure 간섭계를 사용하여 3.2 mm 파장에서 관측하였으며, beam은 5.7′′×4.1′′이었다.
• CO(1→0) 선에 대한 상한 선량을 설정하기 위해 100m 천체망원경(Effelsberg)을 사용하여, 일정한 밝기 온도를 가정하여 가스 질량을 추정하였다.
• 관측된 CO 선 밝기 비율을 해석하고 가스 밀도, 온도, 광학 두께를 추론하기 위해 Large Velocity Gradient (LVG) 모델을 적용하였다.
• 표준 CO-to-H₂ 변환 계수를 사용하여 가스 질량을 추정하였으며, 광학 두께가 두꺼운 것으로 가정하여 M_H₂ ≈ 2×10¹⁰ M☉를 도출하였다.
• 균일한 복사와 중간 광학 두께를 가정하여, 관측된 밝기 온도와 진짜 밝기 온도의 비율을 통해 최소 소스 크기와 반경을 유도하였다.
• 디스크에서 Keplerial 회전을 가정하여 선 폭과 소스 반경을 이용해 천체역학 질량을 추정하였으며, 포함된 질량을 블랙홀 질량과 비교하여 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z=6.42 원자성 블랙홀 J1148+5251의 주변 은하에서 분자가스 질량과 자극 상태는 무엇인가?
• RQ2 CO 선 밝기 비율이 고-excited 조건과 일치하는가? 이는 가스 밀도와 온도에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 관측된 적외선 원거리 복사가 AGN 가열 때문이 아니라 별 형성 때문인지, 감지된 가스 저축지의 조건을 고려할 때 어떻게 설명될 수 있는가?
• RQ4 관측된 별 형성률 약 3000 M☉ yr⁻¹은 감지된 가스 질량으로 얼마나 오래 지속될 수 있는가?
• RQ5 천체역학 질량 추정치는 중앙 블랙홀의 중력적 위치 에너지와 역할에 대해 무엇을 드러내는가?

주요 결과

• CO(6→5) 및 CO(7→6) 선은 z=6.419에서 탐지되었으며, 약 280 km s⁻¹의 선 폭을 보여, 운동적으로 넓은 분자가스 성분이 있음을 시사한다.
• 중력 렌즈 효과가 없고 CO(1→0)의 일정한 밝기 온도 외삽을 가정할 경우, 분자가스 질량은 약 2×10¹⁰ M☉로 추정되었다.
• CO 선 밝기 비율은 고-excited 조건을 시사하며, 가스 밀도 ~10⁵ cm⁻³ 및 온도 ~100 K로, 밀도 높고 따뜻한 분자 매질과 일치한다.
• 가스는 약 560–1400 pc의 영역에 확장되어 있을 가능성이 있으며, 중간 광학 두께(τ < 4)를 가진 것으로 보이며, 이는 큰 공간적 확장 또는 낮은 CO 농도를 의미하지만, 고금속도를 고려하면 후자는 불가능하다고 여겨진다.
• 적외선 원거리 복사로 유도된 별 형성률(~3000 M☉ yr⁻¹)은 1000만 년 이내로만 지속될 수 있으며, 이는 가스 고갈이 빠르며 지속적인 재충전이 필요함을 시사한다.
• CO 영역 내의 천체역학 질량은 (2–6)×10⁹ M☉ sin⁻²i로 추정되었으며, 블랙홀 질량(~3×10⁹ M☉)보다 현저히 낮아, 가스가 깊은 중력 잠김에 있지 않으며, 중간 기울기의 디스크일 가능성이 있음을 시사한다.