[논문 리뷰] The WISSH quasars project

M. Bischetti, E. Piconcelli외 12명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 17.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 77인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 z ≈ 4.4에서 초광도 QSO J1015+0020의 ALMA 고해상도 관측을 통해 근접한 거리에서 [CII]-방출 성간 은하의 놀라운 과잉 밀도를 규명한다. 데이터는 QSO 주계 및 그 보조 성간의 병합된 항성 형성률이 약 800 M⊙/yr이며, 총 항성 질량이 10¹¹ M⊙를 초과함을 보여주며, 이는 거대 은하 형성의 주요 기여자가 QSO 자체가 아니라 보조 은하임을 시사한다. 또한 Mdyn/MBH 비율이 매우 낮아 약 7으로, 기존의 표준 척도 관계에 도전한다.

ABSTRACT

We present an ALMA high-resolution observation of the 840 um continuum and [CII] line emission in the WISE-SDSS selected hyper-luminous (WISSH) QSO J1015+0020 at z~4.4. Our analysis reveals an exceptional overdensity of [CII]-emitting companions with a very small (<150 km/s) velocity shift with respect to the QSO redshift. We report the discovery of the closest companion observed so far in submillimetre observations of high-z QSOs. It is only 2.2 kpc distant and merging with J1015+0020, while two other [CII] emitters are found at 8 and 17 kpc. Two strong continuum emitters are also detected at <3.5 arcsec. They are likely associated to the same overdense structure of J1015+0020, as they exceed by a factor of 100 the number of expected sources, considering the Log(N)-Log(S) at 850 um. The host galaxy of J1015+0020 shows a SFR of about 100 Msun/yr while the total SFR of the QSO and its companion galaxies is a factor of 10 higher, indicating that substantial stellar mass assembly at early epochs may have taken place in the QSO satellites. For J1015+0020 we compute a SMBH mass MBH~6E9 Msun and a dynamical mass Mdyn~4E10 Msun . This translates into an extreme ratio Mdyn/MBH~7. The total stellar mass of the QSO host galaxy plus the [CII] emitters already exceeds 1E11 Msun at z~4.4. These sources will likely merge and develop into a giant galaxy of 1.3E12 Msun. Under the assumption of constant mass or Eddington accretion rate equal to the observed values, we find that the growth timescale of the host galaxy is comparable or even shorter than that inferred for the SMBH.

연구 동기 및 목표

• 고적색 은하계에서 초거대 블랙홀과 그 주변 은하의 상호진화를 고적색 은하계 QSO를 이용해 조사하기 위해.
• z ≈ 4.4에서 은하 간 상호작용 및 병합이 항성 형성과 블랙홀 질량 증가를 어떻게 유도하는지 이해하기 위해.
• 지역 M_BH–M_dyn 척도 관계가 극단적 고적색 환경에서 유효한지 테스트하기 위해.
• 초광도 QSO의 주계 은하가 지역 거대 타원 은하 수준의 거대 항성 시스템을 이미 형성하고 있는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 840 µm 연속 및 [CII] λ157.74 µm 선 방출에 대해 0.18′′ × 0.21′′ 해상도의 고해상도 ALMA 관측.
• [CII] 선형형태 분석을 통해 적색이동, 속도 분산 및 천체역학 질량 측정.
• 연속 소스의 광학적 및 복사 밀도 측정을 통해 항성 형성률 추정 및 잠재적 보조 성간 식별.
• 850 µm에서의 관측된 소스 수와 기대되는 Log(N)−Log(S 분포를 비교하여 과잉 밀도의 유의미성 평가.
• CIV 선형형태 프로파일과 [CII] 운동학적 천체역학 질량을 이용해 블랙홀 질량 추정.
• 일정한 질량 증가율 또는 Eddington 비율을 가정하여 초거대 블랙홀과 주계 은하 성장에 대한 성장 시간 스케일 모델링.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z ≈ 4.4에서 초광도 QSO J1015+0020 주변의 [CII]-방출 은하의 공간적 및 운동학적 분포는 어떻게 되는가?
• RQ2 QSO와 그 보조 성간의 총 항성 형성률은 QSO 주계만의 값과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 QSO 주계의 천체역학 질량는 얼마이며, M_dyn/MBH 비율은 지역 척도 관계와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 보조 은하가 z ≈ 4.4에서 시스템의 총 항성 질량 형성에 어느 정도 기여하는가?
• RQ5 관측된 질량 증가율을 고려할 때, 초거대 블랙홀과 주계 은하의 성장 시간 스케일은 유사한가?

주요 결과

• QSO J1015+0020에서 2.2 kpc 떨어진 곳에 단일 보조 은하가 탐지되었으며, 도플러 이동이 150 km s⁻¹ 미만이어서 병합계로 간주된다.
• QSO에서 17 kpc 이내에 세 개의 [CII]-방출 은하가 발견되었으며, 가장 가까운 것은 2.2 kpc 떨어져 있으며 QSO 주계와 병합 중이다.
• QSO와 보조 성간의 총 항성 형성률은 약 800 M⊙/yr이며, 연속 소스 Cont1 및 Cont2에서 약 700 M⊙/yr, [CII] 방출 은하에서 약 100 M⊙/yr이다.
• QSO 주계의 천체역학 질량은 약 4 × 10¹⁰ M⊙이며, 블랙홀 질량은 약 6 × 10⁹ M⊙로, M_dyn/MBH 비율은 약 7이다. 이는 지역 평균보다 약 두 개의 지수 차수 낮다.
• QSO와 그 [CII]-방출 보조 성간의 총 항성 질량은 z ≈ 4.4에서 10¹¹ M⊙를 초과하며, 이는 향후 약 1.3 × 10¹² M⊙의 거대 은하로 진화할 가능성이 있음을 시사한다.
• 일정한 질량 증가율 또는 Eddington 비율을 가정할 경우, 주계 은하의 성장 시간 스케일은 초거대 블랙홀의 성장 시간 스케일과 유사하거나 더 짧으며, 이는 주계 은하가 블랙홀보다 더 빨리 질량을 형성했을 가능성을 시사한다.