[논문 리뷰] Proximate Molecular Quasar Absorbers: Excess of damped H2 systems at zabs~zQSO in SDSS DR14

P. Noterdaeme, S. A. Balashev외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 06.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 70인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 SDSS DR14의 와우성에서 약 1000 km s⁻¹ 이내의 근접한 위치에서 81개의 감쇠된 H₂ 흡수계를 규명하였으며, 간섭 흡수계 대비 근접 H₂ 흡수계의 수가 4–5배 많음을 밝혀냈다. 반으로 약 50%의 시스템에서 관측된 Ly-α 발광 유출은 밀도가 높고 근접한 구름가의 가능성이 높으며, 이는 와우성 주변 은하 또는 군집 환경과 관련된 것으로 보이며, H₂의 진동 상태는 자외선장과 밀도 제약 조건 간의 불확실성을 해소하는 데 기여한다.

ABSTRACT

We present results from a search for strong H2 absorption systems proximate to quasars (zabs~zem) in the Sloan Digital Sky Survey (SDSS) Data Release 14. The search is based on the Lyman-Werner band signature of damped H2 absorption lines without any prior on the associated metal or neutral hydrogen content. This has resulted in the detection of 81 systems with log N(H2)~19-20 located within a few thousand km/s from the quasar. Compared to a control sample of intervening systems, this implies an excess of proximate H2 systems by about a factor of 4 to 5. The incidence of H2 systems increases steeply with decreasing relative velocity, reaching an order of magnitude higher than expected from intervening statistics at Delta_v<1000 km/s. The most striking feature of the proximate systems compared to the intervening ones is the presence of Ly-alpha emission in the core of the associated damped HI absorption line in about half of the sample. This puts constraints on the relative projected sizes of the absorbing clouds to those of the quasar line emitting regions. Using the SDSS spectra, we estimate the HI, metal and dust content of the systems, which are found to have typical metallicities of one tenth Solar, albeit with a large spread among individual systems. We observe trends between the fraction of leaking Ly-alpha emission and the relative absorber-quasar velocity as well as with the excitation of several metal species, similar to what has been seen in metal-selected proximate DLAs. With the help of theoretical HI-H2 transition relations, we show that the presence of H2 helps to break the degeneracy between density and strength of the UV field as main sources of excitation and hence provides unique constraints on the possible origin and location of the absorbing clouds. We suggest that most of these systems originate from galaxies in the quasar group. [truncated]

연구 동기 및 목표

• 와우성의 적색편이(z_abs ≈ z_QSO)와 가까운 거리에 있는 감쇠된 H₂ 흡수계의 발생 빈도와 특성을 조사하며, 와우성과의 공간적 및 운동적 관계를 중심으로 분석한다.
• 근접 H₂ 시스템이 간섭 DLAs와 비교하여 금속성 농도,-dust 농도, 그리고 진동 조건에서 어떻게 다를지 규명한다.
• H₂ 진동 상태와 Ly-α 발광 유출을 진단 도구로 사용하여 이러한 시스템의 기원과 물리적 조건을 평가한다.
• H₂ 농도와 H i–H₂ 전이 이론을 활용하여 구름의 밀도, 와우성으로부터의 거리, 잠재적인 피드백 효과를 제약한다.
• AGN 피드백이 와우성 환경에서 H₂를 함유한 구름의 형성과 생존에 미치는 역할을 탐색한다.

제안 방법

• SDSS DR14 와우성 스펙트럼에서 라이만-워너 밴드 특징을 이용해 H₂ 흡수를 망각적인 탐색을 실시하였으며, 금속성 또는 H i 농도에 대한 사전 가정 없이 수행되었다.
• 와우성 적색편이로부터 Δv < 3000 km s⁻¹ 이내에서 N(H₂) ≈ 10¹⁹–10²⁰ cm⁻² 수준의 근접 H₂ 시스템 총 81개를 식별하였다.
• 근접 시스템의 발생 빈도를 간섭 DLAs로 구성된 제어 샘플과 비교하여 초과 발생 빈도와 속도 의존성을 정량화하였다.
• 흡수 프로파일에서 H i 기수량, 금속성 농도, 먼지 흡수량, 그리고 미세구조선(예: Si ii, C ii)의 진동 상태를 측정하였다.
• 이론적 H i–H₂ 전이 관계(Sternberg 등 2014)를 활용하여 H₂ 농도에 기반해 구름의 밀도와 와우성으로부터의 거리를 추정하였다.
• 와우성의 발광선 영역에 대해 흡수체가 부분적으로 커버링하고 있음을 나타내는 지표로 Ly-α 발광 유출 비율을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 와우성 주변 근접 영역(Δv < 3000 km s⁻¹)에서 감쇠된 H₂ 흡수계의 발생 빈도는 간섭 시스템에 비해 어떻게 다른가?
• RQ2 H i 흡수선 핵심부에서 관측된 Ly-α 발광 유출은 흡수 구름의 크기와 기하학적 형태를 어떻게 제약하는가?
• RQ3 근접 H₂ 시스템의 일반적인 금속성 농도, 먼지 농도, 그리고 진동 상태는 무엇이며, 간섭 DLAs와 어떻게 다를까?
• RQ4 H₂ 진동 상태 데이터는 흡수 구름 내 자외선장 강도와 기체 밀도 간의 불확실성을 어떻게 해소할 수 있는가?
• RQ5 물리적 진단 자료를 바탕으로 근접 H₂ 시스템의 기원은 와우성 주변 은하, 군집 은하, 또는 유출/유입 기체인가?

주요 결과

• 와우성으로부터 Δv < 3000 km s⁻¹ 이내에서 N(H₂) ≈ 10¹⁹–10²⁰ cm⁻² 수준의 근접 H₂ 시스템이 간섭 시스템 대비 4–5배 많다는 것이 확인되었다.
• H₂ 시스템의 발생 빈도는 상대 속도가 감소함에 따라 급격히 증가하여, Δv < 1000 km s⁻¹ 영역에서는 예상보다 10배 높은 빈도를 보였다.
• 근접 H₂ 시스템의 약 50%에서 구름이 와우성의 발광선 영역을 부분적으로 커버링하고 있음을 시사하는 Ly-α 발광 유출 신호를 관측하였다.
• 근접 시스템은 일반적으로 약 0.1 태양 금속성 수준을 보이며, 큰 산란을 보이며, Si ii 및 C ii 미세구조선의 진동 상태가 향상되어 있었다.
• H₂ 진동 상태 데이터는 자외선장 강도와 기체 밀도 간의 불확실성을 해소하는 데 기여하였으며, H₂ 형성을 위해 와우성 근처의 구름이 고밀도(n_H ~ 10⁴–10⁵ cm⁻³)를 가져야 함을 시사하였다.
• 대부분의 시스템은 와우성 군집 내 은하와 관련되어 있을 가능성이 높지만, 소수의 시스템은 와우성 주변 또는 유출/유입 기체에서 기인한 것으로 보인다.