[논문 리뷰] A search for clusters at high redshift - IV. Spectroscopy of H-alpha emitters in a proto-cluster at z=2.16

J. Kurk, L. Pentericci외 3명|ArXiv.org|2004. 10. 07.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 53

한 줄 요약

이 연구는 라디오 은하 PKS 1138−262 주변의 원시 은하단에서 적색편이 z ≈ 2.16인 Hα 방출 은하 9개를 VLT/ISAAC 적외선 분광법을 통해 확인하였다. 낮은 속도 분산(360 km s⁻¹)과 일관된 Hα 적색편이값은 이들이 원시 은하단과의 물리적 연관성을 지닌다는 것을 확인하며, 유사한 적색편이에서 HDF-N보다 5–10배 높은 항성 형성률 밀도를 보이며, 젊고(≤100 Myr), 중간 정도로 금속성이 높은 항성 집단이 방출을 주도하고 있음을 드러낸다.

ABSTRACT

Radio galaxy PKS 1138-262 is a massive galaxy at z=2.16, located in a dense environment. We have found an overdensity of Ly-alpha emitting galaxies in this field, consistent with a proto-cluster structure associated with the radio galaxy. Recently, we have discovered forty candidate H-alpha emitters by their excess near infrared narrow band flux. Here, we present infrared spectroscopy of nine of the brightest candidate H-alpha emitters. All these candidates show an emission line at the expected wavelength. The identification of three of these lines with H-alpha is confirmed by accompanying [NII] emission. The spectra of the other candidates are consistent with H-alpha emission at z~2.15, one being a QSO as indicated by the broadness of its emission line. The velocity dispersion of the emitters (360 km/s) is significantly smaller than that of the narrow band filter used for their selection (1600 km/s). We therefore conclude that the emitters are associated with the radio galaxy. The star formation rates (SFRs) deduced from the H-alpha flux are in the range 6-44 M_solar/yr and the SFR density observed is 5-10 times higher than in the HDF-N at z=2.23. The properties of the narrow emission lines indicate that the emitters are powered by star formation and contain very young (< 100 Myr) stellar populations with moderately high metallicities.

연구 동기 및 목표

• 원시 은하단 환경에서 라디오 은하 PKS 1138−262 주변의 후보 Hα 방출체의 적색편이와 물리적 연관성을 확인하기 위해.
• Hα 방출체의 속도 분산을 측정하여 그들의 역학적 일관성과 원시 은하단 구조와의 연관성을 평가하기 위해.
• 방출선 진단을 통해 방출체의 항성 형성률 및 물리적 조건(금속성, 연령)을 규명하기 위해.
• 관측된 항성 형성률 밀도를 z ≈ 2.16에서 HDF-N와 비교하여 환경적 요인에 의한 항성 형성 강화 여부를 평가하기 위해.
• Hα 대비 [N ii]/Hα 비율과 선 폭 분석을 통해 방출선의 주요 유도 메커니즘(항성 형성 vs. AGN 또는 충격 유도)을 조사하기 위해.

제안 방법

• 적외선 이미징을 수행하여 12.5 제곱분미의 영역에서 Ks 필터와 좁대역 필터(λc = 2.07 μm, FWHM = 0.026 μm)를 사용하여 z ≈ 2.16에서 Hα 방출체를 식별하였다.
• 기준 파장 등가폭 >25 Å이고 Hα 밀도 >3.5×10⁻¹⁷ erg cm⁻² s⁻¹인 40개의 후보 Hα 방출체를 선별하였으며, 라디오 은하 근처에 위치하고 분광학적 관측에 적합한 후보를 우선시하였다.
• VLT(UT1)의 ISAAC 장치를 사용하여 깊은 적외선 분광학을 수행하였으며, 1″×120″ 슬릿과 중간 해상도 격자(분산도: 1.23 Å/pixel, 해상도 ~2600, FWHM ~7 Å)를 사용하였다.
• 표준 데이터 처리 절차를 적용: 쌍별 프레임 빼기, OH 스카이라인을 이용한 파장 캘리브레이션, 다양한 기상 조건에서 관측한 표준 별을 이용한 대기 흡수 보정.
• B1형 항성(Hip043868)을 밝기 기준으로 사용하여 스펙트럼의 밝기 보정을 수행하였으며, 25,500 K의 블랙바디 스펙트럼을 K 등급에 정규화한 것으로 가정하였다.
• Hα 방출선이 z ≈ 2.16에서 기대되는 파장에 일치하는지 확인하고, [N ii] 이중선 검출 및 [N ii]/Hα 비율 분석을 통해 Hα로 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z ≈ 2.16에서 후보 Hα 방출체는 PKS 1138−262 주변 원시 은하단과 물리적으로 연관되어 있는가?
• RQ2 Hα 방출체의 속도 분산은 얼마이며, 이는 단일 과밀 구조 내에서의 일관성을 지지하는가?
• RQ3 이 원시 은하단 내 Hα 방출 은하의 항성 형성률 및 물리적 조건(금속성, 연령)은 무엇인가?
• RQ4 이 원시 은하단의 항성 형성률 밀도는 z ≈ 2.23에서 HDF-N와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ5 검출된 방출선의 주요 유도 메커니즘은 무엇인가? (항성 형성 vs. AGN)

주요 결과

• 관측된 9개의 Hα 후보 모두 z ≈ 2.16에서 기대되는 파장에서 방출선을 보이며, 3개는 6583 Å에서 함께 관측된 [N ii] 방출선을 통해 Hα로 확인되었다.
• Hα 방출체의 속도 분산은 360 km s⁻¹로, 좁대역 필터의 폭 1600 km s⁻¹보다 유의미하게 작아, 이들이 원시 은하단과의 물리적 연관성을 지닌다는 것을 확인한다.
• Hα 밀도에서 유도된 항성 형성률은 6에서 44 M⊙ yr⁻¹ 사이이며, 총 항성 형성률 밀도는 z ≈ 2.23에서 HDF-N보다 5–10배 높다.
• 3개의 방출체에서 산출된 [N ii]/Hα 비율은 금속성 12 + log(O/H) ≈ 8.7을 암시하며, 항성 형성 은하의 중간 정도의 높은 금속성과 일치한다.
• 높은 기준 파장 등가폭(최대 1350 Å)과 좁은 선 폭(FWHM: 40–360 km s⁻¹, 평균 190 km s⁻¹)은 100 Myr 이내의 매우 젊은 항성 집단이 계속되거나 최근에 항성 형성을 일으키고 있음을 시사한다.
• 한 개의 천체는 넓은 방출선을 보이며 QSO로 확인되었고, 다른 하나는 한 개의 은하 내에서 두 개의 별개의 방출선 영역에서 기인한 두 개의 별개의 방출선을 보였다.