[논문 리뷰] The primordial environment of supermassive black holes (II): deep Y and J band images around the z=6.3 quasar SDSS J1030+0524

B. Balmaverde, R. Gilli외 10명|Archivio istituzionale della ricerca (Alma Mater Studiorum Università di Bologna)|2017. 06. 07.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 57인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 CFHT의 WIRCam를 사용하여 z≈6.3의 준성운 SDSS J1030+0524의 깊은 Y 및 J 대역 이미징을 제시하며, z∼6에서 21개의 강력한 고적색저항 라이만 브레이크은하군 후보를 규명한다. LBG의 비대칭적인 공간 분포와 2.4±0.5의 과밀도(의미 수준 >4σ)는 준성운 주변에 대규모 구조가 존재한다는 강력한 증거를 제공하며, 이는 초기 초거대 블랙홀(SMBH)이 과밀도 환경 내에서 거대한 다크 물질 홀로 형성된다는 천체론 모델을 지지한다.

ABSTRACT

Many cosmological studies predict that early supermassive black holes (SMBHs) can only form in the most massive dark matter halos embedded within large scale structures marked by galaxy over-densities that may extend up to 10 physical Mpc. This scenario, however, has not been confirmed observationally, as the search for galaxy over-densities around high-z quasars has returned conflicting results. The field around the z=6.28 quasar SDSSJ1030+0524 (J1030) is unique for multi-band coverage and represents an excellent data legacy for studying the environment around a primordial SMBH. In this paper we present wide-area (25x25 arcmin), Y- and J-band imaging of the J1030 field obtained with the near infrared camera WIRCam at the Canada-France-Hawaii Telescope (CFHT). We built source catalogues in the Y- and J-band, and matched those with our photometric catalogue in the r, z, i bands presented in Morselli et al. (2014). We used these new infrared data together with H and K and Spitzer/IRAC data to refine our selection of Lyman Break Galaxies (LBGs), extending our selection criteria to galaxies in the range 25.2=1.3. We found a significant asymmetry in the distribution of the high-z galaxies in J1030, supporting the existence of a coherent large-scale structure around the quasar. We compared our results with those of Bowler et al. (2015), who adopted similar LBGs selection criteria, and estimated an over-density of galaxies in the field of delta = 2.4, which is significant at >4 sigma. The over-density value and its significance are higher than those found in Morselli et al. (2014), and we interpret this as evidence of an improved LBG selection.

연구 동기 및 목표

• z≈6.3 준성운 SDSS J1030+0524의 대규모 환경을 조사하여 초기 초거대 블랙홀(SMBH) 형성에 대한 핵심적 현상 연구를 수행한다.
• 고적색저항 SMBH가 ~10공간Mpc까지 연장되는 은하 과밀도를 포함한 대규모 구조 내에서 가장 거대한 다크 물질 홀에 둘러싸여 형성된다는 천체론 예측을 검증한다.
• 깊고 넓은 적외선 이미징과 다중 파장 광도 측정을 통해 고적색저항 LBG 후보의 선별을 향상시켜 저적색저항 물체에 의한 오염을 줄인다.
• 준성운 주변의 은하 군집화의 뜻깊은 정도를 평가하고, 관측된 과밀도가 일관된 대규모 구조와 일치하는지 판단한다.

제안 방법

• Canada-France-Hawaii Telescope(CFHT)의 WIRCam를 사용하여 SDSS J1030+0524 천체의 깊은 광역(25′×25′) Y- 및 J-대역 이미징을 확보한다.
• Y 및 J 대역의 광도 카탈로그를 구축하고, LBT/LBC의 기존 r, i, z 대역 데이터 및 MUSYC 조사의 추가 H, K 대역 데이터, Spitzer/IRAC의 3.4 및 4.5 μm에서의 데이터와 교차 매칭한다.
• i−z ≥ 1.3 색 조건을 사용하여 더 어두운 소스(25.2 < zAB < 25.7)까지 LBG 선별을 확장하여 주 샘플(25.2 < zAB)과 보조 샘플을 보완한다.
• ~0.9에서 3.2 μm까지의 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 다중 대역 광도 측정을 통해 피팅하여 광학적 적색편이를 추정하고, 고적색저항 LBG, 항성, 은하로 소스를 분류한다.
• 색-색 진단 플롯(i−z 대비 z−Y)과 형태 분석을 활용하여 오염물질과 구분되는 강력한 고적색저항 LBG 후보를 식별한다.
• 각도 상관 함수를 사용하여 공간 군집화를 정량화하고, 빈 천공 분야와의 비교를 통해 과밀도의 뜻깊은 정도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z≈6.3 준성운 SDSS J1030+0524 주변 환경에서 고적색저항 라이만 브레이크 은하군(LBG)의 통계적으로 뜻깊은 과밀도가 존재하는가?
• RQ2 이 LBG의 공간 분포는 비대칭적이고 군집화되어 있는가? 이는 무작위 필드 오염이 아닌 대규모 구조를 나타내는가?
• RQ3 더 깊은 Y 및 J 대역 데이터의 포함은 이전 연구에 비해 고적색저항 LBG 선별의 신뢰도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 이 지역의 z∼6 LBG 과밀도의 뜻깊은 정도와 크기는 얼마이며, 빈 천공 분야와 비교해 볼 때 어떻게 다른가?

주요 결과

• 총 21개의 강력한 고적색저항 LBG 후보가 z∼6에서 식별되었으며, 광학적 적색편이가 zphot = 5.95 ± 0.06과 일치한다.
• 21개의 고적색저항 LBG의 공간 분포는 뚜렷한 비대칭성을 보이며, 북서쪽 구역에 집중되어 있어 비랜덤 군집화를 시사한다.
• 고적색저항 LBG의 각도 상관 함수는 10분 이내의 스케일에서 뚜렷한 양의 신호를 보이며, 항성 유형의 물체는 군집화가 없어 무작위 분포임을 확인한다.
• 측정된 z∼6 LBG 과밀도는 δ = 2.4이며, >4σ 수준에서 뜻깊다. 이는 Morselli 등(2014)에서 발견한 과밀도를 초월한다.
• 더 깊은 Y 및 J 대역 데이터와 확장된 색 조건을 포함한 개선된 선별 방법이 이전 연구에 비해 더 높은 과밀도를 초래한 것으로 보인다.
• 고적색저항 LBG와 항성 유형 물체의 스택 이미지에서 명확한 SED 차이를 관찰할 수 있다: 첫 번째는 z∼6 LBG 템플릿에 잘 맞고, 두 번째는 z=0 항성 템플릿에 잘 맞으며, 이는 분류의 타당성을 검증한다.