[논문 리뷰] Into the central 10 pc of the most distant known radio quasar. VLBI imaging observations of J1429+5447 at z=6.21

S. Frey, Z. Paragi외 3명|arXiv (Cornell University)|2011. 06. 03.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 23인용 수 17

한 줄 요약

이 연구는 z=6.21인 가장 멀리 떨어진 알려진 라디오 퀘이사 J1429+5447에 대한 최초의 VLBI 이미징을 수행하여, 100 pc 이내의 규모에서 밀도가 높고 경향성이 높은 라디오 구조를 규명하였다. 낮은 빛의 온도(≈10⁹ K)와 급격한 스펙트럼(α = −1.0)은 상당한 상대론적 비틀림이 없음을 시사하며, 이는 이러한 천체들이 다이너믹하게 젊고, 압축된 대칭 구조를 가진 천체이지 다이너믹스에 의해 강화된 제트가 아니라는 것을 의미한다.

ABSTRACT

Context: There are about 60 quasars known at redshifts z>5.7 to date. Only three of them are detected in the radio above 1 mJy flux density at 1.4 GHz frequency. Among them, J1429+5447 (z=6.21) is the highest-redshift radio quasar known at present. These rare, distant, and powerful objects provide important insight into the activity of the supermassive black holes in the Universe at early cosmological epochs, and on the physical conditions in their environment. Aims: We studied the compact radio structure of J1429+5447 on the milli-arcsecond (mas) angular scale, in order to compare the structural and spectral properties with those of other two z~6 radio-loud quasars, J0836+0054 (z=5.77) and J1427+3312 (z=6.12). Methods: We performed Very Long Baseline Interferometry (VLBI) imaging observations of J1429+5447 with the European VLBI Network (EVN) at 1.6 GHz on 2010 June 8, and at 5 GHz on 2010 May 27. Results: Based on its observed radio properties, the compact but somewhat resolved structure on linear scales of <100 pc, and the steep spectrum, the quasar J1429+5447 is remarkably similar to J0836+0054 and J1427+3312. To answer the question whether the compact steep-spectrum radio emission is a "universal" feature of the most distant radio quasars, it is essential to study more, yet to be discovered radio-loud active galactic nuclei at z>6.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 VLBI 이미징을 이용해 z=6.21인 J1429+5447의 밀집 라디오 구조를 조사하기 위해.
• 다른 두 개의 z≈6 라디오 뚜렷한 퀘이사(J0836+0054 및 J1427+3312)와의 구조적 및 스펙트럼적 특성을 비교하기 위해.
• 최고 적색편이를 가진 라디오 퀘이사에서 밀집 경향성 높은 라디오 방출이 보편적인 특성인지 확인하기 위해.
• 상대론적 비틀림이 고적색편이 퀘이사의 관측된 라디오 형태를 어떻게 형성하는지 평가하기 위해.
• 초기 우주에서 AGN의 중심 엔진과 제트의 물리적 조건과 진화 상태를 제약하기 위해.

제안 방법

• 1.6 GHz 및 5 GHz 주파수에서 유럽 VLBI 네트워크(EVN)를 이용해 매우 장기 기준 간섭계(VLBI) 관측을 수행하였다.
• 보기 데이터를 원형 가우시안 성분으로 모델링하기 위해 Difmap 소프트웨어를 사용하여 광도, 위치, 크기, 빛의 온도를 유도하였다.
• 광도가 1.6 GHz 및 5 GHz에서의 값을 사용하여 거듭제곱 법칙 정의 S ∝ ν^α를 통해 스펙트럼 기울기 α를 계산하였다.
• 원형 가우시안 모델을 가정하여 유도된 성분 크기와 광도로부터 빛의 온도 T_B를 추정하였다.
• 균형 빛의 온도 T_B,equilibrium ≈ 5×10¹⁰ K를 사용하여 도플러 인자 δ = T_B / T_B,equilibrium ≈ 0.02를 계산하였다.
• H₀=70 km s⁻¹ Mpc⁻¹, Ω_m=0.3, Ω_Λ=0.7를 가진 평탄한 ΛCDM 모델을 사용하여 천체론적 거리 및 크기 스케일링을 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z=6.21인 가장 먼 알려진 라디오 퀘이사 J1429+5447의 밀리초각 단위 라디오 구조는 어떠한가?
• RQ2 J1429+5447의 스펙트럼적 및 구조적 특성은 다른 z≈6 라디오 뚜렷한 퀘이사(J0836+0054 및 J1427+3312)와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 고적색편이 퀘이사에서의 밀집 경향성 높은 라디오 방출은 상대론적 비틀림을 나타내는가 아니면 천체의 젊음 상태를 나타내는가?
• RQ4 라디오 코어의 유도된 빛의 온도는 무엇이며, 이는 제트의 방향성과 로렌츠 인자에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 밀집 경향성 높은 라디오 방출은 가장 먼 라디오 뚜렷한 AGN에서 공통적인 특성인가, 이는 보편적인 진화 단계를 시사하는가?

주요 결과

• 쿼이사 J1429+5447는 나머지 기준에서 100 pc 미만의 규모에서 밀도가 높지만 약간 해상된 라디오 구조를 보이며, 총 확장 범위는 100 pc 미만이다.
• 1.6 GHz와 5 GHz 사이의 이중점 스펙트럼 기울기는 α = −1.0 ± 0.05로, 밀집 경향성 높은(CSS) 소스와 일치하는 급격한 라디오 스펙트럼을 나타낸다.
• 밀집 성분의 빛의 온도는 ≈1.3 × 10⁹ K로, 균형 값 ≈5 × 10¹⁰ K보다 현저히 낮으며, 강한 상대론적 비틀림이 없음을 시사한다.
• 유도된 도플러 인자 δ ≈ 0.02는 최소 로렌츠 인자 Γ ≳ 50를 암시하며, 이는 얼굴을 향한 제트 기하학과 일치하지 않으며 큰 관측 각도를 시사한다.
• 라디오 형태와 스펙트럼적 특성이 다른 두 개의 z≈6 라디오 퀘이사(J0836+0054 및 J1427+3312)와 놀랄 만큼 유사하여 공통된 진화 상태를 시사한다.
• 세 개의 z≈6 퀘이사에서 모두 도플러 강화 방출이 관측되지 않음으로써, 밀집 경향성 높은 라디오 방출은 고적색편이에서 젊고 압축된 대칭 구조를 가진 천체의 보편적 특성일 수 있음을 시사한다.