[논문 리뷰] The formation of cluster elliptical galaxies as revealed by extensive star formation

J. A. Stevens, R. J. Ivison외 7명|arXiv (Cornell University)|2003. 09. 17.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 25인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고적도 라디오은하( HzRGs)와 그들의 밀도 높은 환경에서 고적도에서 발생한 동기적이고 광범위한 별 형성에 의해 군집 타원은하가 형성됨을 밝혀냈다. JCMT의 SCUBA를 사용한 깊은 마이크로파역도 맵핑을 통해 저자들은 HzRG 라디오 제트와 정렬된 확장된 먼지 방출과 밝은 마이크로파역도 동반성들을 발견하였으며, 이는 z ≈ 3–4에서 원시군집 구조 내에서 거대 은하들이 동시에 형성되며, 별 형성이 30–250 kpc의 거리에서 피크에 이르게 됨을 시사한다.

ABSTRACT

The most massive galaxies in the present-day Universe are found to lie in the centres of rich clusters. They have old, coeval stellar populations suggesting that the bulk of their stars must have formed at early epochs in spectacular starbursts - luminous phenomena at submillimetre wavelengths. The most popular model of galaxy formation predicts that these galaxies form in proto-clusters at high-density peaks in the early Universe. Such peaks are signposted by massive high-redshift radio galaxies. Here we report deep submillimetre mapping of seven high-redshift radio galaxies and their environments. These data confirm not only the presence of spatially extended massive star-formation activity in the radio galaxies themselves, but also in companion objects previously undetected at any wavelength. The prevalence, orientation, and inferred masses of these submillimetre companion galaxies suggest that we are witnessing the synchronous formation of the most luminous elliptical galaxies found today at the centres of rich galaxy clusters.

연구 동기 및 목표

• 고적도 라디오은하(HzRGs)의 별 형성의 공간적 범위와 환경적 맥락을 조사하는 것. 이들은 거대한 군집 타원은하의 조상으로 여겨진다.
• HzRGs와 그 주변의 별 형성이 공간적으로 확장되어 있고, 계획적 형성 모델이 예측한 바와 같이 동시에 발생하는지 확인하는 것.
• HzRG 라디오 제트와 마이크로파역도 방출 또는 동반성의 위치 사이의 정렬이 통계적으로 유의미하며, 대규모 구조 내에서 물리적 연관성을 나타내는지 테스트하는 것.
• 관측된 마이크로파역도 동반성이 HzRGs와 물리적으로 연관되어 있는지, 아니면 무작위 배경 소스인지를 소스 밀도와 정렬 통계를 사용하여 평가하는 것.

제안 방법

• James Clerk Maxwell Telescope(JCMT)의 Submillimetre Common-User Bolometer Array(SCUBA)를 사용한 일곱 개의 고적도 라디오은하(HzRGs, z = 2.2–4.3)에 대한 깊은 850 µm 마이크로파역도 영상.
• 빔 반응을 분해하고 먼지 방출의 공간적 범위를 정량화하기 위해 이중 가우시안 피팅을 수행하였으며, 빔 FWHM ≈ 14.4′′.
• 라디오 제트의 위치각과 마이크로파역도 소스 위치 사이의 정렬 유의미성을 평가하기 위해 콜모고로프-스미르노프 검정을 사용한 통계 분석.
• 관측된 마이크로파역도 소스 수를 빈 필드 조사와 비교하여 HzRG 영역 내 초과 소스 밀도를 평가.
• 3-arcmin 영역 내에서 거대한 다크 물질 홀로의 분포를 모델링하기 위해 N-body ΛCDM 시뮬레이션을 사용하여, 질량이 큰 홀로와 동반성의 기대 수를 추정.
• 관측된 확장된 형태가 기기 오류가 아닌지 확인하기 위해, 보정 소스로 퀘이사 BR 1202–0725를 사용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고적도 라디오은하의 마이크로파역도 방출은 그들의 라디오 구조를 초월해 공간적으로 확장되어 있으며, 어떤 물리적 척도에서 발생하는가?
• RQ2 HzRG 주변에서 관측된 밝은 마이크로파역도 동반성들은 실제로 HzRGs와 물리적으로 연관되어 있는가, 아니면 무작위 배경 소스인가?
• RQ3 HzRG의 라디오 제트가 마이크로파역도 방출과 가장 밝은 마이크로파역도 동반성의 위치와 정렬되어 있으며, 이 정렬이 통계적으로 유의미한가?
• RQ4 관측된 정렬과 높은 동반성 소스 밀도는 초기 우주의 거대하고 밀도 높은 피크에서의 선택 오차로 설명될 수 있는가?
• RQ5 HzRGs와 동반성에서 관측된 별 형성률과 공간적 범위는 <1 Gyr 이내에 거대 타원은하가 형성된다는 데 뒷받침하는가?

주요 결과

• 중앙 HzRGs의 먼지 방출은 공간적으로 확장되어 있으며, 반광원 반경은 30에서 150 kpc 사이로, 지역 최대 군집은하의 크기와 일치한다.
• 일곱 개의 HzRG 중 다섯 곳에서 마이크로파역도 방출이 해상도가 나아졌으며, 범위는 50에서 250 kpc 사이로, 거대하고 확장된 별 형성 영역을 나타낸다.
• 이 조사에서는 S850 > 5–6 mJy인 10개의 마이크로파역도 동반성을 발견하였으며, 이는 기대되는 빈 필드 소스 밀도(~1개/필드)를 크게 초과한다.
• 일곱 개의 HzRG 중 네 곳에서 라디오 제트의 위치각과 가장 밝은 마이크로파역도 동반성의 방향 사이에 통계적으로 유의미한 정렬(p < 0.05)이 나타나, 물리적 연관성을 시사한다.
• 라디오 제트와 마이크로파역도 방출 사이의 정렬 역시 통계적으로 유의미하다(p = 0.04)며, 이는 제트가 원시군집 환경의 가장 농축된 가스 영역을 따라가는 것을 나타낸다.
• 시뮬레이션은 HzRGs에서 3-arcmin 내에 관측된 거대 홀로(M > 10^12 M☉)의 수가 ΛCDM 모델과 일치함을 확인하였으며, 이는 HzRGs가 밀도 높은 원시군집 내에 자리 잡고 있음을 뒷받침한다.