[논문 리뷰] The Nature of CO Emission From z~6 Quasars

Desika Narayanan, Yuexing Li외 10명|Durham Research Online (Durham University)|2007. 07. 20.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 113인용 수 29

한 줄 요약

이 연구는 ΛCDM 프레임워크 내에서 비국소 열역학평형(non-LTE) 복사전달과 융합 유도 시뮬레이션을 사용하여 z~6 준은하의 CO 복사의 성격을 조사한다. CO 선의 너비는 시선 방향에 따라 달라지며, 면대면 시선에서는 관측된 J1148+5251 준은하와 일치하는 좁은 선을 보이며, CO 선 너비에서 유도된 역학적 질량은 선택 효과를 고려할 경우 M_BH–M_bulge 관계와 일치함을 발견한다.

ABSTRACT

We investigate the nature of CO emission from z~6 quasars by combining non-LTE radiative transfer calculations with merger-driven models of z~6 quasar formation that arise naturally in LCDM cosmological simulations. We consider four model quasars formed in 10^12-10^13 M_sun halos from different merging histories. Our main results follow. Owing to massive starbursts and funneling of dense gas into the nuclear regions of merging galaxies, the CO is highly excited and the flux density peaks between J=5-8. The CO morphology of z~6 quasars often exhibits multiple emission peaks which arise from H2 concentrations which have not yet fully coalesced. Quasars at z~6 display a large range of sightline dependent line widths such that the lines are narrowest when the rotating H2 gas associated with the quasar is viewed face-on (when L_B is largest), and broadest when the gas is seen edge-on (when L_B is lowest). Thus for all models selection effects exist such that quasars selected for optical luminosity are preferentially face-on which may result in detected CO line widths narrower than the median. The sightline averaged line width is reflective of the circular velocity (V_c) of the host halo, and ranges from sigma~300-650 km/s. For optically selected QSOs, 10-25% (halo-mass dependant) of sightlines have narrow line widths compatible with the sole CO detection at z>6, J1148+5251. When accounting for both the temporal evolution of CO line widths, as well as the redshift evolution of halo V_c, these models self-consistently account for the CO line widths of both z~2 sub-mm galaxies and QSO's. Finally, the dynamical mass derived from the sightline averaged line widths provides a good estimate of the total mass, and allows for a stellar bulge and SMBH consistent with the local M_BH-M_bulge relation. [abridged]

연구 동기 및 목표

• z~6 고적색 이동 준은하에서 관측된 CO 선 너비와 형태의 물리적 기원을 이해하기 위해.
• ΛCDM 구조 형성 시뮬레이션에서 유도된 융합 유도 은하 형성 모델이 z=6.42 준은하 J1148+5251의 관측 결과와 일치하는 CO 복사 성질을 어떻게 생성하는지 조사하기 위해.
• 특히 광학적으로 높은 빛을 발하는 준은하에서 관측되는 CO 선 너비에 영향을 미치는 시야각 선택 효과의 영향을 평가하기 위해.
• z~6 준은하에서 CO로 유도된 역학적 질량이 M_BH–M_bulge 관계와 일치하는지 확인하기 위해.
• 적색 이동과 헬로 질량에 따른 CO 선 너비의 진화와 z~2의 밀리미터파 은하 및 준은하의 관측 결과와의 일관성을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 비국소 열역학평형(non-LTE) 복사전달 계산과 ΛCDM 구조 형성 시뮬레이션에서 유도된 융합 유도 준은하 형성 모델을 결합한다.
• 다양한 융합 역사를 가진 10^12–10^13 M☉의 주 헬로에 형성된 네 가지 대표적인 z~6 준은하를 시뮬레이션한다.
• 대규모 속도 기울기(LVG) 복사전달 모델링을 사용하여 J=3–8 전이에 걸쳐 CO 복사 선형도를 예측한다.
• 다양한 시야각에서 복사선을 계산하여 시선 방향에 따른 CO 선 너비와 형태를 분석한다.
• 특히 J=6 CO 복사 피크와 좁은 선 너비에 주목하여 시뮬레이션된 CO 선 너비와 형태를 J1148+5251의 관측 결과와 비교한다.
• CO 선 너비에서 유도된 역학적 질량 추정치를 평가하고, 이를 헬로 질량과 부두 질량과 비교하여 M_BH–M_bulge 관계와의 일관성을 시험한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 J1148+5251와 같은 z~6 준은하는 CO 복사가 J=6에서 피크를 이룬다는가? 이는 주 은하의 어떤 물리적 조건이 이를 초래하는가?
• RQ2 시선 방향에 따른 시야각이 z~6 준은하의 관측된 CO 선 너비에 어떻게 영향을 미치며, 선택 효과가 관측 샘플에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 ΛCDM 내에서 융합 유도 모델이 J1148+5251의 관측된 CO 형태와 선 너비를 재현할 수 있는가?
• RQ4 z~6 준은하에서 CO로 유도된 역학적 질량은 M_BH–M_bulge 관계와 일치하는가? 선택 효과는 이에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 적색 이동에 따른 헬로 원형 속도의 진화가 서로 다른 적색 이동에서의 준은하 CO 선 너비 예측에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• z~6 준은하의 CO 복사는 거대한 성간 폭발과 핵부근으로의 밀도 높은 기체 유입으로 인해 고에너지 상태가 되어 J=5–8에서 피크를 이룬다.
• CO 형태는 다중 복사 피크를 보이며, 공명되지 않은 분포된 분자 기체 농도를 반영하여 J1148+5251의 다중 시점 관측 결과와 일치한다.
• 시선 방향에 따른 선 너비는 10^12 M☉ 헬로에서 약 ~300 km s⁻¹에서 10^13 M☉ 헬로에서 약 ~650 km s⁻¹까지 변동하며, 평균은 주 헬로의 원형 속도를 반영한다.
• 시뮬레이션된 준은하에서 J1148+5251와 호환되는 선 너비를 갖는 시선은 약 2–10%에 불과하지만, 광학적 빛의 강도를 기준으로 선택할 경우 이 비율은 10–25%로 증가한다.
• 면대면 시선은 은폐를 최소화하고 좁은 CO 선을 생성하여, 광학적으로 빛나는 준은하가 평균보다 좁은 관측 선 너비를 보이는 이유를 설명한다.
• 모델은 헬로 원형 속도의 적색 이동 진화를 고려함으로써 z~6 준은하와 z~2 밀리미터파 은하에서의 CO 선 너비를 자동으로 일관되게 재현한다.