[논문 리뷰] The First Luminous Quasars and Their Host Galaxies

Xiaohui Fan, Aaron J. Barth외 27명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 10.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 1인용 수 11

한 줄 요약

이 화이트페이퍼는 z ≳ 9에서의 첫 번째 빛나는 활성은하핵(quasars)이 z ≈ 7를 초과하는 영역에서 빠른 감소를 보이는 활성은하핵 밀도로 인해 관측 가능한 우주 전역에서 극히 드물게 존재할 것—전체 우주에 약 ~1개 뿐일 것—이라고 제안한다. 이는 넓은 시야의 적외선 탐사(예: LSST, Euclid, WFIRST)와 깊은 X선 및 밀리미터파 탐사를 조합하여 이러한 활성은하핵을 발견하고, 그들의 블랙홀 질량, 은하계 및 환경을 다중파장 고해상도 분광법 및 영상 기법으로 연구하기 위해 다음 세대 천체망원경(JWST, ELTs, ALMA 업그레이드)의 필요성을 주장한다. 이를 통해 초기 블랙홀 성장과 간성재이온화의 이해에 돌풍般的한 돌파구를 이끌어낼 수 있다.

ABSTRACT

The discovery of luminous quasars at redshifts up to 7.5 demonstrates the existence of several billion M_sun supermassive black holes (SMBHs) less than a billion years after the Big Bang. They are accompanied by intense star formation in their host galaxies, pinpointing sites of massive galaxy assembly in the early universe, while their absorption spectra reveal an increasing neutral intergalactic medium (IGM) at the epoch of reionization. Extrapolating from the rapid evolution of the quasar density at z=5-7, we expect that there is only one luminous quasar powered by a billion M_sun SMBH in the entire observable universe at z~9. In the next decade, new wide-field, deep near-infrared (NIR) sky surveys will push the redshift frontier to the first luminous quasars at z~9-10; the combination with new deep X-ray surveys will probe fainter quasar populations that trace earlier phases of SMBH growth. The identification of these record-breaking quasars, and the measurements of their BH masses and accretion properties require sensitive spectroscopic observations with next generation of ground-based and space telescopes at NIR wavelengths. High-resolution integral-field spectroscopy at NIR, and observations at millimeter and radio wavelengths, will together provide a panchromatic view of the quasar host galaxies and their galactic environment at cosmic dawn, connecting SMBH growth with the rise of the earliest massive galaxies. Systematic surveys and multiwavelength follow-up observations of the earliest luminous quasars will strongly constrain the seeding and growth of the first SMBHs in the universe, and provide the best lines of sight to study the history of reionization.

연구 동기 및 목표

• z ≳ 9에서의 첫 번째 빛나는 활성은하핵을 특정하고 특성화하는 것. 이들은 z ≈ 7를 초과하는 영역에서 활성은하핵 밀도가 급격히 감소함에 따라 극히 드물게 존재할 것으로 예측된다.
• 우주의 첫 번째 10억 년 동안 빛나는 블랙홀 질량이 10^9 M☉인 블랙홀의 형성 및 성장 메커니즘을 규명하는 것.
• 다중파장 관측을 통해 간성시대 동안 초거대 블랙홀과 그 은하계의 공진화 과정을 이해하는 것.
• 활성은하핵 흡수 스펙트럼을 이용해 간성간 매질의 상태와 간성재이온화의 역사를 탐색하는 것.

제안 방법

• LSST, Euclid, WFIRST 등 넓은 시야의 적외선 영상 탐사를 활용한 활성은하핵 탐지 예측. 이는 탈락 선택 기법을 통해 AB ≈ 23–25까지의 활성은하핵을 탐지할 수 있음.
• z = 5–7에서의 빛나는 활성은하핵 빛의 함수를 외삽하여, 관측 가능한 우주 전역에서 z ≳ 9에 위치한 10^9 M☉ 블랙홀에 의해 구동되는 빛나는 활성은하핵이 약 ~1개 뿐일 것이라고 예측.
• 깊은 적외선 탐사와 향후 X선 탐사(Lynx, Athena, AXIS 등)를 조합하여 더 흐린 활성은하핵 집단을 탐지하고, 초기 단계의 블랙홀 합성 단계를 추적하는 데 활용.
• JWST와 ELTs를 활용한 고해상도 통합장면 분광법을 통해 활성은하핵 은하계의 항성 및 성운 방출선을 해소하고, 핵심 소스 지배 문제를 해결.
• ALMA와 업그레이드된 ngVLA 시설을 활용해 원자 및 분자 선 추적자(예: [CII])를 통해 은하계 내간성매질의 운동학 및 조성을 맵핑.
• 고대비 영상 및 적응광학 기법을 적용해 핵심 방출을 억제하고 고적색 활성은하핵 은하계의 흐린 항성 빛과 별 형성 영역을 맵핑.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 첫 번째 빛나는 활성은하핵의 공간 밀도와 적색편이 분포는 어떻게 되며, z ≈ 7를 초과하는 영역에서 어떻게 진화하는가?
• RQ2 10^10 M☉까지의 초거대 블랙홀이 우주의 첫 번째 10억 년 내에 어떻게 빠르게 형성되고 성장했는가?
• RQ3 간성시대에 블랙홀 성장과 거대 은하계의 형성 간의 관계는 어떠하며, 그 운동학적 특성과 질량은 국지적 관계와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 z ≳ 8에서 간성간 매질이 얼마나 중성 상태였으며, 재이온화 과정은 균일한가, 아니면 덩어리진가?
• RQ5 가장 초기 활성은하핵의 은하계 내 간성매질의 물리적 특성과 별 형성률은 무엇인가?

주요 결과

• 빛나는 활성은하핵의 공간 밀도는 z ≈ 5–6를 초과하는 영역에서 급격히 감소하며, 관측 가능한 우주 전역에서 z ≳ 9에 위치한 10^9 M☉ 블랙홀에 의해 구동되는 빛나는 활성은하핵은 약 ~1개 뿐일 것으로 예상된다.
• 넓은 시야의 적외선 탐사(LSST, Euclid, WFIRST 등)는 z > 7에서의 재이온화 시대 활성은하핵을 다수 탐지할 것으로 예측되며, z > 8에서는 수십 개, z ≈ 9까지는 최대한의 샘플을 확보할 수 있다.
• 고적색 활성은하핵 은하계는 극도로 강한 별 형성 활동을 보이며, 추정되는 별 형성률은 몇 백에서 수천 M☉ yr⁻¹에 이르며, 이는 블랙홀과 거대 은하계의 동시 성장을 시사한다.
• ALMA 관측 결과는 고립된, 도는 시스템, 주요 합성, 그리고 밀도가 높은 산란 지배 시스템을 포함한 다양한 은하계 형태를 보여주며, 다양한 진화 경로가 존재할 수 있음을 시사한다.
• 고적색 활성은하핵에서 [CII] 운동학으로 유도된 역학적 질량은 국지의 M_BH–M_star 관계에서 예상되는 것보다 일반적으로 10배 정도 작으며, 이는 블랙홀 성장이 은하계 조립을 앞서 갈 가능성을 시사한다.
• 핵심 빛의 지배로 인해 활성은하핵 은하계의 고정프레임 UV에서 적외선 영역까지의 항성 및 성운 방출선은 아직 탐지되지 않았으며, 이는 JWST 및 ELTs와 같은 다음 세대 시설이 직접 탐지하기 위해 필수적이다.