[논문 리뷰] The WISSH quasars project: VIII. Outflows and metals in the circum-galactic medium around the hyper-luminous z ∼ 3.6 quasar J1538+08

A. Travascio, L. Zappacosta외 12명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 01.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 55인용 수 37

한 줄 요약

이 연구는 초광도적인 z ≈ 3.6 은하핵자기천체 J1538+08의 VLT/MUSE 적층장역분광학을 제시하며, 은하계간 매질(CGM)에서 거대하고 밝은(≈2 × 10⁴⁴ erg s⁻¹), 150 kpc 크기의 라이먼-알파(nebula)와 가능성이 있는 75 kpc 크기의 CIV 네뷸라를 규명한다. 네뷸라는 넓은 범위의 파랑편이된 라이먼-알파 성분(σ ≈ 1200 km s⁻¹, v_shift ≈ -1500 km s⁻¹)을 보이며, 수 킬로파섹에 걸쳐 확장되는 강력한 유동을 나타내며, CIV 복사에 의해 금속 농도가 확인되어, 방사선이 없는 은하핵자기천체 주변에서 CGM 척도에서 유동에 의해 유도된 이온화 기체를 직접로 탐지한 사례 중 최초의 것 중 하나이다.

ABSTRACT

Context. In recent years, Lyα nebulae have been routinely detected around high redshift, radio-quiet quasars thanks to the advent of the highly sensitive integral field spectrographs. Constraining the physical properties of the Lyα nebulae is crucial for a full understanding of the circum-galactic medium (CGM). The CGM acts both as a repository for intergalactic and galactic baryons as well as a venue of feeding and feedback processes. The most luminous quasars are privileged test-beds to study these processes, given their large ionising fluxes and dense CGM environments in which they are expected to be embedded. Aims. We aim to characterise the rest-frame ultraviolet (UV) emission lines in the CGM around a hyper-luminous, broad emission line, radio-quiet quasar at z ∼ 3.6, which exhibits powerful outflows at both nuclear and host galaxy scales. Methods. We analyse VLT/MUSE observations of the quasar J1538+08 (Lbol = 6 × 1047 erg s-1), and we performed a search for extended UV emission lines to characterise its morphology, emissivity, kinematics, and metal content. Results. We report the discovery of a very luminous (∼2 × 1044 erg s-1), giant Lyα nebula and a likely associated extended (75 kpc) CIV nebula. The Lyα nebula emission exhibits moderate blueshift (∼440 km s-1) compared to the quasar systemic redshift and a large average velocity dispersion (σ̄v ∼700 km s-1) across the nebula, while the CIV nebula shows average velocity dispersion of σ̄v ∼350 km s-1. The Lyα line profile exhibits a significant asymmetry towards negative velocity values at 20-30 kpc south of the quasar and is well parametrised by the following two Gaussian components: a narrow (σ ∼ 470 km s-1) systemic one plus a broad (σ ∼ 1200 km s-1), blueshifted (∼1500 km s-1) one. Conclusions. Our analysis of the MUSE observation of J1538+08 reveals metal-enriched CGM around this hyper-luminous quasar. Furthermore, our detection of blueshifted emission in the emission profile of the Lyα nebula suggests that powerful nuclear outflows can propagate through the CGM over tens of kiloparsecs.

연구 동기 및 목표

• 초광도적, 복선이 넓은, 방사선이 없는 은하핵자기천체에서 z ≈ 3.6에서 은하계간 매질(CGM)의 복귀-자외선 복사선을 특성화하는 것.
• J1538+08 주변의 확장된 복사선의 형태, 운동학, 복사능, 금속 농도를 조사하는 것.
• 핵 및 은하계 성간 천체 척도에서 관측된 강력한 핵 유동이 은하계간 매질를 통해 전파되고 그 물리적 상태에 영향을 미치는지 확인하는 것.
• 유동이 은하계간 매질로 금속을 운반하고 확장된 네뷸라 복사선의 운동학을 형성하는 데 어떤 역할을 하는지 평가하는 것.

제안 방법

• 1.5×1.5 아크분의 시야를 커버하는 깊은 VLT/MUSE 적층장역분광학 분석.
• 공간적으로 해상도를 높인 스펙트럼 피팅을 통해 확장된 라이먼-알파 및 CIV 복사선의 탐지 및 2차원 맵핑.
• 라인 프로파일에 대한 가우시안 성분 피팅을 통해 네뷸라 전역의 도플러 속도 및 속도 분산 프로파일 계산.
• 라이먼-알파 복사선의 비대칭 프로파일을 식별하기 위해 스케우니스 맵핑.
• 공명 산란, 광발광, 충격 자극 모델과의 비교를 통해 복사선 기원 메커니즘 추론.
• 운동학적 매개변수와 공간적 확장 크기를 사용하여 유동 질량 손실률 및 천체역학적 시간 스케일 추정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초광도적 은하핵자기천체 J1538+08의 은하계간 매질(CGM)에서 라이먼-알파 및 CIV 복사선의 공간적 범위, 형태, 운동학은 어떻게 되는가? (z ≈ 3.6)
• RQ2 J1538+08 주변에 금속 농도가 높은 CGM가 존재하는가? 그리고 이는 라이먼-알파 네뷸라와 어떻게 공간적으로 관련되어 있는가?
• RQ3 라이먼-알파 네뷸라의 운동학적 특성, 특히 속도 분산과 비대칭성은 은하핵에서 유도된 대규모 유동이 존재함을 시사하는가?
• RQ4 관측된 파랑편이되고 넓은 라이먼-알파 복사선 성분은 10여 킬로파섹에 걸쳐 연장되는 단일 유동 기체 성분에 기인한 것인가?
• RQ5 확장된 라이먼-알파 복사선을 일으키는 물리적 메커니즘은 공명 산란, 광발광, 충격 자극 중 무엇인가?

주요 결과

• 150 kpc의 투영 크기와 약 2 × 10⁴⁴ erg s⁻¹의 빛나는 밝기로 거대한 라이먼-알파 네뷸라가 탐지되었으며, 이는 현재까지 알려진 가장 밝은 라이먼-알파-CEN 중 하나이다.
• 약 75 kpc 크기의 공간적으로 확장된 CIV 네뷸라가 탐지되었으며, 라이먼-알파 복사의 피크와 공간적으로 일치하고 표면 빛의 세기 프로파일이 유사하여 물리적으로 관련되어 있을 가능성이 높다.
• 라이먼-알파 네뷸라의 평균 속도 분산은 ≈700 km s⁻¹로, 일반적인 방사선이 없는 은하핵자기천체에서의 값보다 뚜렷이 높으며, 방사선이 강한 시스템이나 유동이 지배하는 환경에서 관측되는 값과 유사하다.
• 은하핵에서 남쪽으로 20–30 kpc 거리의 영역에서 라이먼-알파 선형의 프로파일은 강한 음의 비대칭성(스케우니스)을 보이며, 가장 잘 맞는 두 개의 가우시안 성분으로 설명된다: 좁은 시스템 성분(σ ≈ 470 km s⁻¹)과 넓고 파랑편이된 성분(σ ≈ 1200 km s⁻¹, v_shift ≈ -1500 km s⁻¹).
• 큰 투영 거리(최대 30 kpc)에서 관측된 넓고 파랑편이된 라이먼-알파 성분은 은하계간 매질를 통해 kpc 척도에서 확장되는 강력한 이온화 유동이 존재함을 직접적으로 보여주는 스펙트로스코픽 증거이다.
• 네뷸라의 운동학적 및 형태학적 특성과 함께 CIV 복사의 탐지 결과, J1538+08 주변의 은하계간 매질는 금속 농도가 높고 은하핵에서 유도된 유동에 의해 동역학적으로 영향을 받고 있음을 확인한다.