[논문 리뷰] The nature of sub-millimetre galaxies II: an ALMA comparison of SMG dust heating mechanisms

Behzad Ansarinejad, T. Shanks외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 01.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 74인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 ALMA 0.1" 해상도 관측을 이용해 sub-mm 은하(SMGs)와 활성은하핵(AGN)의-dust 가열 메커니즘을 비교하며, SMGs가 약 ~1–2 kpc의 극히 작고 농축된 sub-mm 크기, 유사한 항성 형성률 표면 밀도, 그리고 은폐된 AGN와 구별되지 않는 중간 적외선(MIR) 휘도를 보임을 발견하였다. 결과적으로 빛나는 SMGs는 먼지로 둘러싸인 AGN에 의해 주로 동력화되어 있으며, 이는 경자기X선 배경과 적외선원천 배경을 동시에 설명할 수 있다.

ABSTRACT

We compare the contribution of Active Galactic Nuclei (AGN) and star-formation towards dust heating in sub-mm galaxies (SMGs). We have used ALMA at $0."1$ resolution to image a complete flux-limited sample of seven sub-mm sources previously shown to have spectral energy distributions (SEDs) that were as well-fitted by obscured AGN as star-forming galaxy templates. Indeed, two sub-mm sources were known to be quasars from their absorbed X-ray emission. We find the sub-mm sizes of all SMGs to be small ($\approx1-2$kpc) and generally $\sim3$ times smaller than any host detected in the Near-Infra-Red (NIR). In all cases, the five SMGs are comparable in sub-mm size to the two known quasars and four $z\approx6$ quasars, also observed with ALMA. We detect no evidence of diffuse spiral arms in this complete sample. We then convert the Far-Infra-Red (FIR) luminosities to star-formation rate (SFR) surface densities and find that the SMGs occupy the same range as the known quasars in our sample. We conclude that in terms of sub-mm size, extent relative to host and SFR density as well as luminosity and Mid-IR (MIR) colour, there is little distinction between the SMGs and sub-mm bright quasars. Finally, we present preliminary evidence that SMGs with higher MIR luminosities and sub-mm loud quasars tend to have dust components that range to hotter temperatures than their less luminous SMG counterparts. In light of these results, we continue to suggest that luminous SMGs may host dust-absorbed quasars that may simultaneously dominate the FIR and hard X-ray backgrounds.

연구 동기 및 목표

• 활성은하핵(AGN)이 sub-mm 은하(SMGs)의 먼지 가열을 주도하는지, 아니면 항성 형성이 주도하는지 확인하기 위해.
• sub-mm 및 근적외선(NIR) 대역에서 SMGs와 AGN의 물리적 크기와 형태를 비교하기 위해.
• 높은 중간 적외선(MIR) 휘도를 가진 SMGs가 더 뜨거운 먼지 성분을 포함하는지 평가하여 AGN 지배성을 확인하기 위해.
• SMGs와 AGN 간의 관측된 SED 유사성으로 인해 가장 빛나는 SMGs가 AGN에 의해 동력화된다는 가설을 평가하기 위해.
• 작은 sub-mm 크기의 특징이 AGN에 의해 가열되는 SMGs에만 고유하게 예측되는지, 현지에서 항성 형성이 주요 원인일 수는 없는지 검증하기 위해.

제안 방법

• WHDF 영역 내에서 흐름 한계가 있는 7개의 SMGs와 2개의 알려진 X선 흡수된 AGN에 대해 고해상도(0.1") ALMA 연속 이미징를 확보하였다.
• 광학/NIR(K-대역)에서의 은하 핵심 크기와 비교하여 870 µm에서의 sub-mm 크기를 평가하여 상대적 확장을 분석하였다.
• 표준 캘리브레이션을 사용하여 적외선원천(FIR) 휘도를 항성 형성률(SFR) 표면 밀도로 변환하였다.
• 먼지 온도와 AGN 기여도를 탐색하기 위해 중간 적외선(4.5 µm) 및 sub-mm(870 µm) 복사 밀도 비율(S24µm/S8µm 및 S100µm/S24µm)을 분석하였다.
• 다중 파장 SED 피팅 및 알려진 AGN와 ALESS SMGs와의 통계적 비교를 통해 형태학적 및 광학적 유사성을 평가하였다.
• ALMA 이미지에서 나선형 패턴의 유의미함을 평가하여 핵심(AGN)과 확장된(항성 형성) 가열을 구별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SED가 AGN 및 항성 형성 템플릿에 의해 잘 맞는 sub-mm 은하(SMGs)가 고해상도로 관측되었을 때, 형태학적 또는 물리적 차이가 있는가?
• RQ2 SMGs의 sub-mm 크기는 알려진 은폐된 AGN와 일치하는가? 그리고 NIR 은하 핵심 크기와 다를까?
• RQ3 더 높은 MIR 휘도와 sub-mm 농도 비율 간의 상관관계가 있으며, 이는 더 높은 휘도의 SMGs에서 더 뜨거운 먼지 성분을 나타내는가?
• RQ4 높은 MIR 휘도와 sub-mm 농도를 가진 SMGs에서 더 뜨거운 먼지 성분의 증거가 있는가? 이는 AGN 지배성을 시사하는가?
• RQ5 SMG의 sub-mm 복사의 관측된 농축성은 현지에서 항성 형성이 주요 가열 메커니즘이 될 수 없음을 배제할 수 있는가?

주요 결과

• 모든 샘플 내 SMGs는 약 1–2 kpc의 작고 농축된 sub-mm 크기를 가지며, 두 개의 알려진 X선 흡수된 AGN나 네 개의 z > 6 AGN와 유의미한 차이가 없었다.
• SMGs의 sub-mm 크기는 항상 그들의 NIR 은하 핵심 크기보다 약 3배 작았으며, 미해결 SMGs와 AGN 간에 차이가 없었다.
• SMGs와 AGN는 유사한 적외선원천(FIR) 휘도와 SFR 표면 밀도를 가지며, 둘 다 동일한 범위에 위치해 있으며 대부분 에딩턴 한계 이하에 있었다.
• WHDF 영역의 SMGs에서는 저표면 밀도의 나선형 패턴에 대한 증거를 발견하지 못했으며, 이는 ALESS 샘플과 대조를 이뤘다. 이는 더 높은 sub-mm 휘도 또는 SNR과 관련된 형태학적 차이를 시사할 수 있다.
• 초기 결과로, 더 높은 MIR 휘도와 더 낮은 S100µm/S24µm 및 S24µm/S8µm 복사 밀도 비율 간의 상관관계가 발견되었으며, 이는 더 높은 휘도의 SMGs와 sub-mm 농도가 높은 AGN에서 더 뜨거운 먼지 성분을 나타낸다.
• 크기, SFR 표면 밀도, MIR 휘도, 먼지 온도 분포의 관측된 유사성은 빛나는 SMGs가 먼지로 둘러싸인 AGN에 의해 동력화된다는 가설을 강력히 뒷받침하며, 이는 경자기X선 배경과 적외선원천 배경을 동시에 설명할 수 있다.