[论文解读] Genesis and evolution of dust in galaxies in the early Universe II. Rapid dust evolution in quasars at z > 6

C. Gall, Anja C. Andersen+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 80被引用 45

一句话总结

本研究利用化学演化模型模拟星暴星系中尘埃、气体和恒星质量的演化，探究高红移类星体（z > 6）中快速尘埃形成机制。结果表明，在恒星形成速率（SFR）超过10³ M⊙/yr的星暴事件后30至170 Myr内，可形成约10⁸ M⊙的尘埃质量，主要通过超新星实现，需依赖顶重的初始质量函数（IMF）及适中的尘埃破坏过程，才能与z > 6类星体的观测结果一致。

ABSTRACT

We assess the most plausible scenarios for generating large amounts of dust in high-z quasars (QSOs) on the basis of observationally derived physical properties of QSOs at z > 6. We use a chemical evolution model to compute the temporal progression of quantities, such as the amount of dust and gas, stellar masses, star formation rates (SFRs) and the metallicity for various combinations of the initial mass function (IMF), the mass of the galaxy, dust production efficiencies, and the degree of dust destruction in the ISM. We investigate the influence of the SFR on the evolution of these quantities, and determine the earliest epochs at which agreement with observations can be achieved. We apply the obtained results to individual QSOs at z > 6. We find that large quantities of dust can be generated rapidly as early as 30 Myr after the onset of the starburst when the SFR of the starburst is > 10^3 M_sun yr^(-1). The amount of dust and several other physical quantities of individual QSOs at z > 6 are satisfactorily reproduced by models at epochs 30, 70, 100, and 170 Myr for galaxies with initial gas masses of 1-3 x 10^11 M_sun. The best agreement with observations is obtained with top-heavy IMFs. A sizable dust contribution from supernovae (SNe) is however required, while at these epochs dust production by asymptotic giant branch (AGB) stars is negligible. Moderate dust destruction in the ISM can be accommodated.

研究动机与目标

• 确定实现高红移类星体（z > 6）中快速尘埃生产的物理条件，其观测尘埃质量约为10⁸ M⊙。
• 评估不同恒星来源（尤其是超新星和渐近巨星分支星，AGB星）在短 timescale 内生成尘埃的作用。
• 评估初始质量函数（IMF）、星系质量、尘埃生成效率及尘埃破坏对模型与观测一致性的影响。
• 确定最早可能重现观测类星体特性（尘埃质量、金属度、SFR）的宇宙时相。

提出的方法

• 采用自洽的、数值求解的化学演化模型，追踪星暴星系中尘埃、气体、金属和恒星质量随时间的演化。
• 模型包含来自IIP型和Ia型超新星以及AGB星（3–8 M⊙）的尘埃生成，其产量与寿命相关。
• 通过超新星激波在星际介质（ISM）中引起的尘埃破坏被建模，包含可变的破坏效率（Mcl）和颗粒尺寸依赖性。
• 模型包含超大质量黑洞（SMBH）的生长 timescale，并假设由于SFR过高，无气体吸积或外流。
• 模型参数包括初始气体质量（1–3 × 10¹¹ M⊙）、SFR（3–10⁴ M⊙/yr）、IMF变体（顶重、Larson、质量集中）、以及超新星尘埃生成效率。
• 模型输出与观测类星体特性进行比较：尘埃质量、金属度、SFR以及CO/H₂转换因子（α）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大爆炸后300 Myr内，能否在高红移类星体中形成约10⁸ M⊙的大质量尘埃，如观测所要求？
• RQ2 在z > 6时，主导尘埃生成的恒星来源是超新星还是AGB星？需要多高的尘埃生成效率？
• RQ3 初始质量函数（IMF）、星系质量以及ISM中的尘埃破坏如何影响模型重现观测类星体特性的能力？
• RQ4 模型最早可在哪个宇宙时相重现z > 6类星体中观测到的尘埃质量和金属度？

主要发现

• 在SFR > 10³ M⊙/yr的星暴事件后，约30 Myr内即可形成约10⁸ M⊙的尘埃质量，与z ≳6观测类星体一致。
• 最佳观测一致性出现在采用顶重初始质量函数时，其可增强早期超新星驱动的尘埃生成。
• 在早期宇宙中，超新星是主导尘埃来源；AGB星的尘埃生成可忽略，因时间不足以使其演化至有效产尘阶段。
• 中等程度的尘埃破坏（Mcl ≤ 100 M⊙）与观测一致；而极端破坏或无破坏均导致模型与观测不符。
• 星系质量在1–3 × 10¹¹ M⊙范围内与观测尘埃质量和金属度一致；而更高质量系统（如1.3 × 10¹² M⊙）则超出观测的动力学质量约束。
• 需采用“最大”超新星尘埃生成效率才能匹配观测尘埃质量，尽管该值目前尚不明确，但在特定激波和颗粒几何条件下可能成立。