[논문 리뷰] The X-ray luminous galaxy cluster XMMU J1007.4+1237 at z=1.56 - The dawn of starburst activity in cluster cores

R. Fassbender, A. Nastasi외 13명|arXiv (Cornell University)|2011. 01. 17.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 41인용 수 46

한 줄 요약

이 연구는 XMM-Newton의 우연한 탐지로 식별된 고체적 X선 발광 은하단 XMMU J1007.4+1237을 제시한다. 이 은하단은 적색편이 z = 1.555에 위치해 있으며, 깊은 VLT/FORS2 분광학적 관측을 통해 확인되었다. 이는 '적색편이 사막'(z > 1.5)에서 확인된 가장 질량이 큰 은하단으로, 볼레트로픽 X선 발광도는 2.1 × 10⁴⁴ erg s⁻¹이며, 추정 질량은 약 2 × 10¹⁴ M☉이다. 중심에 위치한 BCG는 극도로 강한 항성 형성 활동을 보이며, 초기 단계의 은하단 핵 구조 형성 과정을 시사한다.

ABSTRACT

Observational galaxy cluster studies at z>1.5 probe the formation of the first massive M>10^14 Msun dark matter halos, the early thermal history of the hot ICM, and the emergence of the red-sequence population of quenched early-type galaxies. We present first results for the newly discovered X-ray luminous galaxy cluster XMMU J1007.4+1237 at z=1.555, detected and confirmed by the XMM-Newton Distant Cluster Project (XDCP) survey. We selected the system as a serendipitous weak extended X-ray source in XMM-Newton archival data and followed it up with two-band near-infrared imaging and deep optical spectroscopy. We can establish XMMU J1007.4+1237 as a spectroscopically confirmed, massive, bona fide galaxy cluster with a bolometric X-ray luminosity of Lx=(2.1+-0.4) imes 10^44 erg/s, a red galaxy population centered on the X-ray emission, and a central radio-loud brightest cluster galaxy. However, we see evidence for the first time that the massive end of the galaxy population and the cluster red-sequence are not yet fully in place. In particular, we find ongoing starburst activity for the third ranked galaxy close to the center and another slightly fainter object. At a lookback time of 9.4Gyr, the cluster galaxy population appears to be caught in an important evolutionary phase, prior to full star-formation quenching and mass assembly in the core region. X-ray selection techniques are an efficient means of identifying and probing the most distant clusters without any prior assumptions about their galaxy content.

연구 동기 및 목표

• 적색편이 사막(z > 1.5)에서 희귀하고 질량이 큰 은하단의 식별 및 특성 분석을 위해, 은하단 형성에 대한 샘플링이 부족한 영역에서 고적색편이(z > 1.5)의 희귀한 대규모 은하단을 식별하고 특성화한다.
• XMM-Newton 및 지상 기반 옵티컬 데이터를 이용해 XMMU J1007.4+1237의 역학적 질량과 X선 특성 특성을 규명한다.
• 은하단의 빨간색 시퀀스의 진화 상태와 가장 밝은 은하단은하(BCG) 및 중심 성분의 항성 형성 활동을 조사한다.
• 항성 형성 활동이 대규모 은하단 은하의 초기 형성에 미치는 영향을 평가한다.

제안 방법

• XMM-Newton 원거리 은하단 프로젝트(XDCP)에서의 빈 X선 소스 선별을 통해, 은하단과 일치하는 확산된 X선 방출을 식별한다.
• VLT/FORS2 분광학적 관측을 통한 다중 파장 후속 관측으로 중심 은하의 적색편이를 확인하고, 항성 형성 활동을 나타내는 방출선(예: [O II])을 탐지한다.
• 은하단의 볼레트로픽 X선 발광도(L_X,bol)를 0.5–2 keV 범위의 X선 유량에서 계산하고, 은하수 흡수(N_H = 3.59 × 10²⁰ cm⁻²)에 따라 보정한다.
• X선 발광도 및 온도 스케일링 관계를 이용해 질량 추정을 수행하여 M₂₀₀ ≈ 2 × 10¹⁴ M☉를 도출한다.
• BCG의 AGN 또는 항성 형성 활동을 탐사하기 위해 1440 MHz에서의 전파 유량 측정(P₁₄₄₀ ≈ 3 × 10²⁵ W Hz⁻¹)을 수행한다.
• 휴대용 H-대역 등급 및 (z−H) 색상 분석을 통해 은하단 구성원의 빨간색 시퀀스 및 진화 상태를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 XMMU J1007.4+1237는 z ≈ 1.56에서 진정으로 대규모 은하단이며, 그 X선 발광도와 역학적 질량은 무엇인가?
• RQ2 이 고적색편이 은하단의 가장 밝은 은하단은하(BCG) 및 기타 중심 구성원의 항성 형성률과 진화 상태는 무엇인가?
• RQ3 z = 1.56에서 은하단의 빨간색 시퀀스는 완전히 정착되어 있는가, 아니면 계속 진행 중인 항성 형성 활동으로 인해 진화 중인가?
• RQ4 BCG와 연관된 강력한 1.4 GHz 전파 방출의 기원은 무엇인가?
• RQ5 이 은하단의 빨간색 은하의 발광 함수는 저적색편이 시스템과 비교해 어떻게 다를까? 특히 특성 등급 H* 근처에서의 비교를 포함하여.

주요 결과

• XMMU J1007.4+1237는 z = 1.555 ± 0.003에서 진정으로 존재하는 은하단으로 확인되었으며, 볼레트로픽 X선 발광도는 (2.1 ± 0.4) × 10⁴⁴ erg s⁻¹로, z > 1.5에서 알려진 가장 X선 발광도가 높은 은하단이다.
• R₂₀₀ 내에서 추정된 은하단 질량은 약 ~2 × 10¹⁴ M☉이며, 이는 '적색편이 사막'(z > 1.5)에서 확인된 가장 질량이 큰 은하단 중 하나로 위치한다.
• BCG(ID 1)는 약 ~11 M☉ yr⁻¹의 높은 항성 형성률을 보이며, X선 피크와 질량 중심에 위치해 있으며, 휴대용 (z−H) 색상은 3.2 mag이다.
• 세 번째로 밝은 은하단 구성원(ID 3)은 강한 [O II] 방출선을 보이며, 항성 형성률이 75 M☉ yr⁻¹으로, 9.4 Gyr의 시각적 시점에서 지속적인 강력한 항성 형성 활동을 나타낸다.
• 은하단의 빨간색 시퀀스는 아직 완전히 정착되어 있지 않다. 특성 등급 H* 근처의 등급 범위에서 빨간색 은하의 수가 부족하여, 여전히 진화 중임을 시사한다.
• BCG는 강력한 1.4 GHz 전파 방출(P₁₄₄₀ ≈ 3 × 10²⁵ W Hz⁻¹)을 보이며, 주로 항성 형성에 의해 공급된 것으로 보이며, 항성 형성의 적색편이 추정치는 z_f ≈ 5이다. 그러나 H-대역 등급은 일반적인 저적색편이 BCG보다 1 magnitude 이상 어두운 편이다.