[논문 리뷰] Using strong lensing to understand the microJy radio emission in two radio quiet quasars at redshift 1.7

Philippa Hartley, N. Jackson외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 22.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 169인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 중력 렌즈를 활용하여 z ≈ 1.7에서 관측된 두 개의 방사선 억제형 활성은하핵(AGN)에서의 마이크로잔스키 수준의 방사선 방출 기원을 탐구한다. VLA를 사용해 5 GHz에서 관측한 결과, SDSS J1004+4112에서는 변동성 분석을 통해 AGN에 의해 주도되는 방사선 방출에 강력한 증거를 확보하였고, PG 1115+080에서는 방사선–적외선 연관성 분석을 통해 잠재적인 증거를 발견하였다. 이는 이러한 희미한 방사선 방출이 주로 항성 형성에 의해 유도된다는 기존의 가정에 도전한다.

ABSTRACT

The radio quasar luminosity function exhibits an upturn around $L_{6 m\:GHz}=10^{23}$ W Hz$^{-1}$ that is well-modelled by a star-forming host galaxy population. This distribution leads some authors to cite star formation as the main radio emission mechanism in so-called radio-quiet quasars (RQQs). Understanding the origin of RQQ radio emission is crucial for our understanding of quasar feedback mechanisms -- responsible for the regulation of star-formation in the host galaxy -- and for understanding galaxy evolution as a whole. By observing RQQs that have been magnified by strong gravitational lensing, we have direct access to the RQQ population out to cosmic noon, where evidence for twin mini-jets has recently been found in a sub- extmu Jy RQQ. Here we present radio observations of two lensed RQQs using the VLA at 5~GHz, the latest objects to be observed in a sample of quadruply-imaged RQQs above -30$^{\circ}$. In SDSS~J1004+4112 we find strong evidence for AGN-related radio emission in the variability of the source. In PG~1115+080 we find tentative evidence for AGN-related emission, determined by comparing the radio luminosity with modelled dust components. If confirmed in the case of PG~1115+080, which lies on the radio--FIR correlation, the result would reinforce the need for caution when applying the correlation to rule out jet activity and when assuming no AGN heating of FIR-emitting dust when calculating star formation rates. Our programme so far has shown that two of the faintest radio sources ever imaged show strong evidence for AGN-dominated radio emission.

연구 동기 및 목표

• 방사선 억제형 활성은하핵(RQQs)에서 희미한 마이크로잔스키 수준의 방사선 방출 기원을 규명하는 것. 이는 AGN 제트와 항성 형성 사이에서 여전히 논란의 대상이다.
• 저밀도 방사선 방출을 보이는 RQQs에서 AGN와 항성 형성이 주요 방사선 방출 메커니즘인지 식별하는 데 있어 방사선–적외선(FIR) 연관성이 신뢰성 있게 적용될 수 있는지 테스트하는 것.
• 강력한 중력 렌즈를 활용하여 본질적으로 희미한 RQQs의 고해상도·고감도 방사선 관측을 가능하게 하여, 우주의 정점 시기인 '우주의 정점' 시점에서의 방사선 특성 직접 분석을 가능하게 하는 것.
• 주변 은하의 형상과 AGN 피드백 메커니즘이 RQQs의 방사선 방출에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 렌즈 시스템에서 어둠성 물질의 준구조를 통한 밝기 비율 이상 현상 분석을 통해 어둠성 물질 준구조를 제약하는 것.

제안 방법

• 고각해상도 및 고감도를 확보하기 위해 VLA의 A 구성으로 두 개의 강력한 렌즈가 캐스팅된 RQQs—SDSS J1004+4112와 PG 1115+080—를 5 GHz에서 관측하였다.
• 시간 영역 분석을 통해 렌즈 효과와 구분되는 내재된 AGN 변동성을 식별하기 위해 다중 에포크 관측을 적용하였다.
• 관측된 방사선 빛의 세기와 SED 피팅을 통한 모의 먼지 방출 성분을 비교하여, 방사선 방출이 항성 형성만으로 기대되는 것보다 초과하는지 평가하였다.
• 부드러운 렌즈 모델(예: Oguri 2010)을 사용하여 여러 이미지 간의 밝기 비율을 예측하고, 준구조나 내재된 변동성의 징후를 보여주는 이상 현상을 식별하였다.
• 관측된 소스가 방사선–적외선 연관성 상에서 어디에 위치하는지 평가하여, AGN 활동이 먼지를 가열함으로써 연관성을 설명할 수 있는지 평가하였다. 이 경우 항성 형성이 주된 원인이 아닐 수 있다.
• 기존의 광학 및 적외선 데이터와 함께 방사선 데이터를 융합하여 다파장 SED에서 주변 은하 및 AGN 기여도를 모델링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z ≈ 1.7에서 관측된 방사선 억제형 활성은하핵의 희미한 방사선 방출은 주로 AGN 제트에 의해 발생하는가, 항성 형성에 의해 발생하는가?
• RQ2 낮은 방사선 빛 세기를 보이는 RQQs에서 방사선–적외선 연관성을 신뢰성 있게 사용하여 AGN 활동을 배제할 수 있는가?
• RQ3 렌즈가 캐스팅된 활성은하핵의 방사선 방출 내재 변동성은 미크로렌즈 또는 밀리렌즈 효과를 모방하거나 가리킬 수 있는가?
• RQ4 주변 은하 형상(예: 디스크 대 구형)이 RQQs의 관측된 방사선 방출에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ5 렌즈 이미지에서의 밝기 비율 이상 현상은 렌즈 은하 내 어둠성 물질 준구조의 존재에 대해 어떤 제약을 둔다?

주요 결과

• SDSS J1004+4112에서는 방사선 light curve에서 뚜렷한 변동성을 통해 AGN 관련 방사선 방출에 강력한 증거를 확보하였으며, 특히 구성 요소 D에서 내재된 소스 변동성임을 시사하여 렌즈 효과가 아님을 입증하였다.
• PG 1115+080에서는 방사선 빛 세기가 방사선–적외선 연관성과 일치하지만, 관측된 방사선 방출은 항성 형성만으로 기대되는 것보다 초과하여, AGN에 의해 먼지가 가열된 것이 원인일 수 있음을 시사한다.
• PG 1115+080의 결과는 저밀도 방사선 빛 세기를 가진 RQQs에서 방사선–적외선 연관성을 사용해 항성 형성률을 추정하거나 AGN 활동을 배제하는 데 주의가 필요함을 시사한다. 특히 저밀도 방사선 빛 세기를 가진 시스템에서는 더욱 그렇다.
• 이 연구는 지금까지 촬영된 가장 희미한 두 방사선 소스—모두 본질적 방사선 세기가 10 µJy 이하—에서 AGN에 의해 주도되는 방사선 방출에 강력한 증거를 확보하였으며, 이는 이러한 방출이 주로 항성 형성에 의해 유도된다는 기존의 가정에 도전한다.
• PG 1115+080에서의 밝기 비율 이상 현상은 어둠성 물질 준구조가 아닌 확장된 소스 구조와 일치하였으며, SDSS J1004+4112의 구성 요소 C에서의 이상 현상은 미크로렌즈가 아니라 내재된 변동성 때문일 수 있다.
• 이러한 발견들은 RQQs의 소규모 제트가 충격파를 통해 먼지를 가열하여, 항성 형성이 주된 원인이 아님에도 불구하고 방사선–적외선 연관성 상에 위치하게 하며, 이는 AGN 피드백이 주변 은하의 형성에 영향을 미칠 수 있음을 시사한다.