[논문 리뷰] Low-redshift analogs of submm galaxies: a diverse population

I. Oteo, Ian Smail외 12명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 17.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 원격 우주에서의 고적색 이동(submillimeter galaxies, SMGs)에 대한 21개의 저적색 이동(z < 0.5) 유사체를 적외선 원거리 복사 빛의 강도와 먼지 온도를 일치시켜 규명하였다. IRAM-30m 관측을 통해 이들은 다변화된 인구를 보이며, CO 선비율이 매우 다양함을 확인하였고, 이는 J≥2 CO 전이로부터 분자 기체 질량을 외삽할 경우 매우 높은 불확실성을 암시한다. 반면, 먼지-기체 복사 빛의 강도 상관관계는 확인되었고, 평균 분자 기체 질량은 약 1.6×10¹⁰ M☉이며, 기체 고갈 시간 상수는 약 100 Myr로 나타났다.

ABSTRACT

We have combined the wide-area Herschel-ATLAS far-IR survey with spectroscopic redshifts from GAMA and SDSS to define a sample of 21 low--redshift ($z_{ m spec} &lt; 0.5$) analogs of submm galaxies (SMGs). These have been selected because their dust temperatures and total IR luminosities are similar to those for the classical high-redshift SMG population. As well as presenting the sample, in this paper we report $^{12}$CO(2-1) and $^{12}$CO(1-0) observations of 16 low-redshift analogs of SMGs taken with the IRAM-30m telescope. We have obtained that low-redshift analogs of SMGs represent a very diverse population, similar to what has been found for high-redshift SMGs. A large variety in the molecular gas excitation or $^{12}$CO(2-1)/$^{12}$CO(1-0) line ratio is seen, meaning that extrapolations from $J \geq 2$ CO lines can result in very uncertain molecular gas mass determinations. Our sources with $^{12}$CO(1-0) detections follow the dust--gas correlation found in previous work at different redshifts and luminosities. The molecular gas mass of low-redshift SMGs has an average value of $M_{ m H_2} \sim 1.6 imes 10^{10}\,M_\odot$ and will be consumed in $\sim 100 \, { m Myr}$ . We also find a wide range of molecular gas fractions, with the highest values being compatible with those found in high-redshift SMGs with $^{12}$CO(1-0) detections, which are only the most luminous. Low-redshift SMGs offer a unique opportunity to study the properties of extreme star formation in a detail not possible at higher redshifts.

연구 동기 및 목표

• 저적색 이동 SMGs의 유사체를 찾기 위해, 고적색 이동 SMGs와 유사한 적외선 원거리 복사 빛의 강도와 먼지 온도를 갖춘 저적색 이동(z < 0.5) 유사체를 식별함으로써, 보다 접근 가능한 적색 이동 영역에서 극단적인 별 형성의 세부 연구를 가능하게 한다.
• CO(1–0) 및 CO(2–1) 선 관측을 통해 이 저적색 이동 SMG 유사체의 분자 기체 함량과 흥(excitation) 상태를 조사함으로써, 고J CO 전이로부터 기체 질량 추정치에 대한 불확실성을 해결한다.
• 저적색 이동 유사체와 고적색 이동 SMGs를 비교함으로써, 극단적인 별 형성 시스템에서 먼지-기체 복사 빛 상관관계와 기체 고갈 시간 상수의 보편성 여부를 시험한다.
• 저적색 이동 SMG 유사체의 형상 및 운동학적 다양성을 탐색하고, 이들이 고적색 이동 SMGs의 성질을 해석하는 데 미치는 영향을 고려한다. 특히 이중 피크 CO 선형형태를 중심으로 분석한다.

제안 방법

• 고적색 이동 SMGs와 유사한 총 적외선 복사 빛의 강도와 먼지 온도를 갖춘 21개의 저적색 이동(z < 0.5) SMG 유사체를 Herschel-ATLAS 조사에서 선별하였으며, 스펙트럼적 적색 이동(GAMA, SDSS)을 활용하였다.
• IRAM-30m 망원경을 사용해 21개 유사체 중 16개에 대해 12 CO(1–0) 및 12 CO(2–1) 선 관측을 수행하여 분자 기체 함량과 흥(excitation) 상태를 측정하였다.
• 관측된 12CO(2–1)/12CO(1–0) 선비율을 기반으로 CO 흥(excitation) 보정을 고려한 표준 빛-질량 변환을 사용해 분자 기체 질량을 계산하였다.
• CO 선형형태를 분석하여 고립된 디스크나 상호작용 시스템의 운동학적 특징을 식별하고, 형상과 기체 운동학 간의 연관성을 규명하였다.
• 관측된 CO 복사 빛과 IR 복사 빛, 먼지 복사 빛을 비교하여 L′_CO–L_IR 및 L′_CO–L_850 상관관계의 존재 여부와 산란 정도를 시험하였다.
• 근적외선 및 가시광선 이미징을 활용해 형상을 분류하고 상호작용 여부를 평가하였으며, 구조적 특징과 CO 선형형태 간의 연관성을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저적색 이동 SMG 유사체는 고적색 이동 SMGs에서 관측된 다양한 형상과 운동학적 특성을 어느 정도 재현하는가?
• RQ2 저적색 이동 SMG 유사체에서 CO 흥(excitation) 상태(12CO(2–1)/12CO(1–0) 선비율)는 얼마나 다양하며, 이는 고J CO 전이로부터 기체 질량 추정치에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 저적색 이동 SMG 유사체는 고적색 이동 SMGs와 다른 별 형성 천체에서 관측된 먼지-기체 복사 빛 상관관계를 따르는가?
• RQ4 저적색 이동 SMG 유사체의 평균 분자 기체 질량과 고갈 시간 상수는 얼마이며, 고적색 이동 SMGs와 비교해보면 어떠한가?
• RQ5 저적색 이동 유사체에서 관측된 이중 피크 CO 선형형태는 융합의 지표로 신뢰할 수 있는가, 아니면 고립된 회전 디스크 역시 이러한 형태를 유도하는가?

주요 결과

• 저적색 이동 SMG 유사체는 고립된 별 형성 디스크, 상호작용 시스템, 빨간색과 파란색 천체의 군집 등 다양한 형상을 보이며, 고적색 이동 SMGs와 유사한 다양성을 확인하였다.
• 12CO(2–1)/12CO(1–0) 선비율이 샘플 전반에서 크게 변동함을 확인하였고, 이는 12CO(1–0) 관측 없이 J≥2 CO 전이로부터 기체 질량을 추정할 경우 매우 높은 불확실성을 암시한다.
• 샘플의 평균 분자 기체 질량은 약 1.6×10¹⁰ M☉이며, 개별 기체 질량은 약 0.9에서 2.5×10¹⁰ M☉ 사이로 변동하며, 고적색 이동에서 가장 질량이 큰 SMGs와 일치한다.
• 관측된 12CO(1–0) 신호는 L′_CO–L_850 상관관계를 매우 밀접하게 따르며, 이는 극단적인 별 폭발에서 먼지와 분자 기체 간의 보편적 연관성을 지지한다.
• 비록 총 IR 복사 빛 강도가 유사하더라도, CO 복사 빛 강도는 거의 한 계급 정도의 변동을 보이며, 총 IR 복사 빛과 CO 복사 빛 사이의 상관관계는 다소 산산이 흩어져 있음을 시사한다.
• 기체 고갈 시간 상수는 약 100 Myr로 추정되었으며, 이는 현재의 별 형성이 매우 짧은 기간 동안 집중적으로 일어나고 있음을 나타내며, 극도로 활발한 폭발형 활동과 일치한다.