[논문 리뷰] Probing high-redshift quasars with ALMA. I. Expected observables and potential number of sources

D. R. G. Schleicher, M. Spaans외 1명|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|2010. 01. 13.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 65인용 수 29

한 줄 요약

이 논문은 ALMA를 사용하여 고적도 퀘이사의 마이크로미터 선 방출을 모델링하여, 그 은하의 주변에서 X선에 의해 지배되는 영역(XDR)이 고유한 CO, [CII], [OI] 선 서명을 생성함을 보여준다. 이는 고J-순서 CO 전이(최대 J=17-16)와 미세구조 선이 XDR를 광화학분해영역(PDR)과 구별하는 데 사용될 수 있음을 예측하며, z≈6에서 약 1개의 소스가 1 제곱분당 기대되므로 초기 은하 진화와 중심 엔진 피드백을 세밀하게 탐색할 수 있다.

ABSTRACT

(abridged) We explore how ALMA observations can probe high-redshift galaxies in unprecedented detail. We discuss the main observables that are excited by the large-scale starburst, and formulate expectations for the chemistry and the fluxes in the center of active galaxies, where chemistry may be driven by the absorption of X-ray photons. We show that such X-ray dominated regions (XDRs) should be large enough to be resolved with ALMA, and predict the expected amount of emission in CO and various fine-structure lines. We discuss how such XDRs can be distinguished from a strong starburst on the same spatial scales based on the CO line SED. Our models are compared to known sources like NGC 1068 and APM 08279. We also analyze the properties of the z=6.42 quasar SDSS J114816.64+525150.3, and find that the observed emission in CO, [CII] and [CI] requires a dense warm and a low-density cold gas component. We estimate the expected number of sources at redshifts higher than 6, finding that one could expect one black hole with $10^6$ solar masses per arcmin$^2$.

연구 동기 및 목표

• 고적도 퀘이사의 관측 가능한 마이크로미터 선 방출을 ALMA를 사용하여 예측하며, 주로 그 은하의 X선에 의해 지배되는 영역(XDR)에 집중한다.
• 특히 활성 은하핵 근처의 밀도가 높고 뜨거운 클라우드에서 X선 조사에 의한 분자가스의 화학 및 진동 상태를 모델링한다.
• 블랙홀 질량 증식 역사를 고려하고 소스 밀도를 분석하여, ALMA 깊은 필드 조사에서 감지 가능한 고적도 퀘이사의 기대 수를 추정한다.
• 고J-CO 선과 미세구조 선([CII], [OI])을 사용하여 XDR와 PDR을 구별하는 진단 도구를 제공한다.
• 관측된 z=6.42 퀘이사를 다성분계로 해석하며, 밀도가 높은 별 형성 영역과 밀도가 낮은 정적 영역을 포함한다.

제안 방법

• z=8인 근접한 Seyfert 2 은하 NGC 1068의 관측을 적응하여 ALMA 밴드 반응을 시뮬레이션하고, 어떤 선 방출이 감지 가능한지 평가한다.
• 반분석 모델을 사용하여 중심 X선에 의해 지배되는 영역(XDR)의 크기를 추정하며, 수백 파섹 수준임을 확인한다.
• X선 조사에 노출된 분자 클라우드에 대한 1차원 세밀한 화학 모델을 적용하며, 기존 XDR 계산을 통합하여 X선 빛의 세기, 클라우드 밀도, 기둥 밀도에 따른 선 세기 예측을 수행한다.
• NGC 1068 및 APM 08279+5255의 관측된 선 세기와 모델 예측을 비교하여 XDR 모델의 타당성을 검증한다.
• 이론적 모델을 사용하여 고적도 블랙홀 인구와 국지 초거대 블랙홀 밀도를 고려하여 ALMA 깊은 필드 조사에서 감지 가능한 소스의 수를 추정한다.
• 고J-CO 선(최대 J=17-16)과 미세구조 선([CII], [OI])의 진단 능력을 평가하여 XDR와 PDR을 구별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고적도 퀘이사에서 X선 조사에 의해 유도된 마이크로미터 선 방출은 무엇인가?
• RQ2 X선에 의해 지배되는 영역(XDR)에서 CO, [CII], [OI] 선 세기는 X선 빛의 세기, 클라우드 밀도, 기둥 밀도에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 고J-CO 전이(예: J=17-16)는 고적도 퀘이사에서 XDR와 PDR을 구별하는 고유한 진단 도구로 사용될 수 있는가?
• RQ4 ALMA 깊은 필드 조사에서 z≈6 근처에서 감지 가능한 고적도 퀘이사의 기대 밀도는 얼마인가?
• RQ5 다성분 선 방출(예: 밀도가 높은 기체와 밀도가 낮은 기체)은 z=6.42 퀘이사에서 관측된 세기를 어떻게 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 고적도 퀘이사의 중심 X선에 의해 지배되는 영역(XDR)의 크기는 수백 파섹 수준으로 추정된다.
• 고X선 빛의 세기에서 CO 선 강도는 (17-16) 전이까지 계속 증가하며, XDR와 PDR을 구별하는 고유한 진단 도구가 된다.
• 미세구조 선 [OI] 63 μm 및 [CII] 158 μm는 고밀도(>10^5 cm⁻³)에서 광학 두께가 되며, 주로 X선 빛의 세기에 민감하고 기둥 밀도에는 거의 영향을 받지 않는다.
• z=6.42 퀘이사에서 관측된 세기는 단일 기체 성분으로는 설명될 수 없으며, 밀도가 높고 뜨거운 별 형성 영역과 밀도가 낮고 정적 상태인 영역이 동시에 존재함을 시사한다.
• z≈6 근처에서 ALMA 깊은 필드 조사에서는 약 1개의 소스가 제곱분당 감지될 것으로 기대된다.
• 고J-CO 선과 미세구조 선 비율은 함께 X선 세기와 기둥 밀도를 제약할 수 있으며, XDR 조건을 세밀하게 진단하는 데 기여한다.