[논문 리뷰] First detections of the [NII] 122 {\mu}m line at z>0.04: Demonstrating the utility of the line for studying galaxies at high redshift

Carl Ferkinhoff, Drew Brisbin외 8명|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 07.

Spectroscopy and Laser Applications인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 캘텍 마이크로파라미터 관측소(CSO)의 ZEUS 기구를 사용하여 적색편이 z > 0.04인 두 개의 먼 은하—SMMJ02399-0136와 Cloverleaf QSO—에서 [NII] 122 μm 선의 최초로 고적색편이 검출을 보고한다. 이 선들은 근처 은하보다 높은 강도 비율(2.1×10⁻³에서 7.0×10⁻⁴ 사이)을 보이며, 이는 이온화된 가스 비율이 분자 가스 질량의 8–17%에 이르는 것으로 나타내며, [OIII]/[NII] 비율은 O9.5 항성 또는 AGN NLR에 의한 이온화를 시사하며, 이온화 매개변수 log(U) ≈ -3.3에서 -4.0로 추정되며, 복합 모델이 데이터를 가장 잘 설명한다.

ABSTRACT

We report the first detections of the [NII] 122 {\mu}m line from a high redshift galaxy. The line was strongly (> 6{\sigma}) detected from SMMJ02399-0136, and H1413+117 (the Cloverleaf QSO) using the Redshift(z) and Early Universe Spectrometer (ZEUS) on the CSO. The lines from both sources are quite bright with line-to-FIR continuum luminosity ratios that are ~7.0 imes10^{-4} (Cloverleaf) and 2.1 imes10^{-3} (SMMJ02399). With ratios 2-10 times larger than the average value for nearby galaxies, neither source exhibits the line-to-continuum deficits seen in nearby sources. The line strengths also indicate large ionized gas fractions, ~8 to 17% of the molecular gas mass. The [OIII]/[NII] line ratio is very sensitive to the effective temperature of ionizing stars and the ionization parameter for emission arising in the narrow-line region (NLR) of an AGN. Using our previous detection of the [OIII] 88 {\mu}m line, the [OIII]/[NII] line ratio for SMMJ02399-0136 indicates the dominant source of the line emission is either stellar HII regions ionized by O9.5 stars, or the NLR of the AGN with ionization parameter log(U) = -3.3 to -4.0. A composite system, where 30 to 50% of the FIR lines arise in the NLR also matches the data. The Cloverleaf is best modeled by a superposition of ~200 M82 like starbursts accounting for all of the FIR emission and 43% of the [NII] line. The remainder may come from the NLR. This work demonstrates the utility of the [NII] and [OIII] lines in constraining properties of the ionized medium.

연구 동기 및 목표

• 적색편이 z > 0.04에서 이전에 관측되지 않은 [NII] 122 μm 선을 고적색편이 은하에서 검출하기 위해.
• 멀리 떨어진 은하에서 이온화된 가스를 탐사하는 데 [NII] 122 μm 선의 유용성을 평가하기 위해.
• 고적색편이 시스템에서 [OIII]/[NII] 선 비율을 사용하여 이온화 원천—O9.5 항성 또는 AGN NLR—을 제약하기 위해.
• 고적색편이 은성 형성과 AGN 지배 은하에서 분자 가스 질량 대비 이온화된 가스 비율을 결정하기 위해.

제안 방법

• 캘텍 마이크로파라미터 관측소(CSO)의 적색편이(z) 및 초기 우주 스펙트럼계측기(ZEUS)를 사용하여 [NII] 122 μm 선을 관측하기 위해.
• 선 강도와 FIR 연속기 빛의 세기를 측정하여 선 대 FIR 연속기 빛의 세기 비율을 계산하기 위해.
• 이전 관측에서 확보된 [OIII] 88 μm 선 비율을 사용하여 좁은선영역(NLR)의 이온화 조건을 제약하기 위해.
• 이온화 매개변수(U)와 이온화 항성의 효과적 온도에 대한 이론적 관계를 사용하여 이온화 구조를 모델링하기 위해.
• 관측된 [OIII]/[NII] 비율을 HII 영역과 AGN NLR 예측치와 비교하여 주요 이온화 원천을 규명하기 위해.
• 은성 형성과 AGN 기여를 조합한 복합 모델을 사용하여 관측된 선 방출을 설명하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고적색편이 은하에서 [NII] 122 μm 선의 강도는 어느 정도이며, 지역 기준과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ2 [NII] 선 빛의 세기를 통해 유추된 고적색편이 은하에서 분자 가스의 어느 정도가 이온화되어 있는가?
• RQ3 이 은하들의 간성 물질 이온화는 주로 거대한 O형 항성에 의해 발생하는가, 아니면 AGN에 의해 발생하는가?
• RQ4 고적색편이 은하에서의 [OIII]/[NII] 선 비율은 지역 AGN와 HII 영역과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 은성 형성과 AGN NLR의 복합 모델이 이들 천체에서 관측된 FIR 선 방출을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• [NII] 122 μm 선은 z > 0.04에서 SMMJ02399-0136와 Cloverleaf QSO에서 강하게 검출되었으며(6σ 이상), 이는 최초의 검출이다.
• SMMJ02399-0136에서 선 대 FIR 연속기 빛의 세기 비율은 2.1×10⁻³로 나타났고, Cloverleaf에서는 7.0×10⁻⁴로, 근처 은하의 평균보다 뚜렷이 높았다.
• 이온화된 가스 비율은 분자 가스 질량의 8–17%로 추정되었으며, 이는 고적색편이 은하에서 상당한 양의 이온화된 가스 저축이 있음을 시사한다.
• SMMJ02399-0136의 [OIII]/[NII] 선 비율은 O9.5 항성 또는 이온화 매개변수 log(U) = -3.3에서 -4.0인 AGN NLR에 의한 이온화를 암시한다.
• Cloverleaf의 방출을 가장 잘 설명하는 복합 모델은 약 200개의 M82 유사 은성 형성과 NLR에서 기인한 [NII] 선의 43%를 포함하며, 나머지 부분은 NLR에서 기인할 가능성이 있다.
• [NII] 122 μm 선이 고적색편이 은하에서 이온화된 가스 함량과 이온화 조건을 탐사하는 데 강력한 탐사 도구로 기능함을 입증하였다.