[논문 리뷰] Simultaneous Measurements of Star Formation and Supermassive Black Hole Growth in Galaxies

Alexandra Pope, L. Armus외 30명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 12.

Astrophysical Phenomena and Observations인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 은하의 우주 시대 전반에서 별 형성과 초거대 블랙홀 순환을 동시에 측정하기 위해 민감한 열복사 적외선 및 전파 설비를 이용한 双파장 접근법을 제안한다. 적외선-전파 상관관계와 적색이동된 중간-장거리 적외선 진단을 활용함으로써, z=0에서 z>8까지 편향 없이 통계적으로 완전한 샘플을 확보할 수 있으며,-dust 편향을 최소화하여 별과 블랙홀의 공진화를 해결한다.

ABSTRACT

Galaxies grow their supermassive black holes in concert with their stars, although the relationship between these major galactic components is poorly understood. Observations of the cosmic growth of stars and black holes in galaxies suffer from disjoint samples and the strong effects of dust attenuation. The thermal infrared holds incredible potential for simultaneously measuring both the star formation and black hole accretion rates in large samples of galaxies covering a wide range of physical conditions. Spitzer demonstrated this potential at low redshift, and by observing some of the most luminous galaxies at z~2. JWST will apply these methods to normal galaxies at these epochs, but will not be able to generate large spectroscopic samples or access the thermal infrared at high-redshift. An order of magnitude gap in our wavelength coverage will persist between JWST and ALMA. A large, cold infrared telescope can fill this gap to determine when (in cosmic time), and where (within the cosmic web), stars and black holes co-evolve, by measuring these processes simultaneously in statistically complete and unbiased samples of galaxies to z>8. A next-generation radio interferometer will have the resolution and sensitivity to measure star-formation and nuclear accretion in even the dustiest galaxies. Together, the thermal infrared and radio can uniquely determine how stars and supermassive blackholes co-evolve in galaxies over cosmic time.

연구 동기 및 목표

• 우주의 시간 전반에 걸쳐 동일한 은하에서 별 형성률과 블랙홀 순환률을 동시에 측정할 수 있는 편향 없는 측정이 부족한 문제를 해결한다.
• 자외선, X선, 단일 안테나 적외선 설문 조사에서의 먼지 차폐 및 샘플링 불완전성으로 인한 관측 편향을 극복한다.
• z=0에서 z>8까지 동일한 은하에서 SFR과 BHAR를 측정함으로써 은하 진화의 자기 일관성 이론을 가능하게 한다.
• 다양한 환경과 우주의 시대 전반에 걸쳐 별과 초거대 블랙홀의 공진화를 특성화한다.
• JWST와 ALMA 사이의 10배 파장 간격을 메우기 위해 핵심 적색이동된 적외선 진단선에 접근한다.

제안 방법

• 자기 반사 전파 방출이 30GHz 이상의 고정 프레임에서 자유 전자 방출을 통해 먼지에 영향을 받지 않는 별 형성률을 추적하기 위해 FIR-전파 상관관계를 활용한다.
• 중간 및 장거리 적외선 스펙트로스코피를 적용하여 관측 가능 대역에 적색이동된 핵심 진단선(예: [O IV], [Ne II], [Ne V])을 탐지한다.
• 고해상도 간섭계 전파 영상 기법을 활용하여 핵 및 디스크 기반 방출을 해상하고 AGN와 별 형성 간을 분리한다.
• 미래의 냉각 장거리 적외선 우주 망원경(예: Origins Space Telescope)과 차세대 지상 기반 전파 간섭계(예: ngVLA)의 데이터를 통합한다.
• 고감도로 대면적 설문 조사를 수행하여 우주적 적색이동과 환경 전반에 걸쳐 통계적으로 완전하고 편향 없는 은하 샘플을 구축한다.
• 스펙트럼 진단과 밝기 온도 분석을 적용하여 고해상도 전파 영상에서 AGN와 별 형성 기여도를 구분한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하의 우주의 시간 전반에 걸쳐 별 형성과 초거대 블랙홀 순환이 어떻게 공진화하는가?
• RQ2 어느 적색이동과 우주의 웹 내 어떤 영역에서 별과 블랙홀이 함께 성장하는가?
• RQ3 z > 8에서 별과 블랙홀의 상대적 성장률은 무엇이며, 먼지 차폐는 그 측정된 비율에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 개별 은하의 SFR과 BHAR는 어떻게 함께 진화하며, 무엇이 그들의 결합을 이끄는가?
• RQ5 AGN와 별 형성은 어느 정도 물리적으로 연결되어 있으며, 고적색이동 은하에서 어떻게 분리할 수 있는가?

주요 결과

• FIR-전파 상관관계를 통해 고적색이동에서 먼지에 영향을 받지 않는 별 형성률 측정이 가능하며, 특히 고정 프레임 >30GHz에서 자유 전자 방출을 통해 더욱 효과적이다.
• 비열성 전파 방출은 고적색이동에서 inverse Compton 손실이 (1+z)^4 비례로 증가함에 따라 억제되어 고정 프레임 >30GHz 대역에서 자유 전자 방출이 지배적이다.
• 이전 임무보다 1000배 높은 감도를 지닌 미래의 우주 기반 장거리 적외선 망원경은 수십 제곱도의 영역을 스펙트럼적으로 맵핑하여 대규모 편향 없는 은하 샘플을 구축할 수 있다.
• ngVLA는 고적색이동 은하의 개별 성분에서 핵 및 디스크 기반 방출을 해상하고 분리할 수 있는 각도 해상도와 감도를 제공할 것이다.
• 현재의 설문 조사들은 자외선, X선, 단일 안테나 FIR 자료에서의 먼지 차폐 및 선택 편향으로 인해 z > 3에서 심각한 불완전성을 겪고 있다.
• 동일한 은하에서 SFR과 BHAR를 동시에 측정하는 것이 공진화 시계열을 해결하고 별개의 샘플에서 오는 오해의 결론을 피하기 위해 필수적이다.