[论文解读] The First Luminous Quasars and Their Host Galaxies

Xiaohui Fan, Aaron J. Barth+27 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用 11

一句话总结

本白皮书提出，由于在红移 z ≳ 7 之后类星体空间密度迅速下降，因此最早在 z ≳ 9 时出现的明亮类星体将极为稀少——在可观测宇宙中仅约 1 个。该白皮书主张结合广角近红外巡天（如 LSST、Euclid、WFIRST）与深度 X 射线及毫米波巡天，以发现这些类星体，并呼吁利用下一代望远镜（JWST、ELTs、ALMA 升级）通过多波段、高分辨率的光谱与成像技术，研究其黑洞质量、宿主星系及其环境，从而在理解早期黑洞增长与宇宙再电离过程方面取得突破性进展。

ABSTRACT

The discovery of luminous quasars at redshifts up to 7.5 demonstrates the existence of several billion M_sun supermassive black holes (SMBHs) less than a billion years after the Big Bang. They are accompanied by intense star formation in their host galaxies, pinpointing sites of massive galaxy assembly in the early universe, while their absorption spectra reveal an increasing neutral intergalactic medium (IGM) at the epoch of reionization. Extrapolating from the rapid evolution of the quasar density at z=5-7, we expect that there is only one luminous quasar powered by a billion M_sun SMBH in the entire observable universe at z~9. In the next decade, new wide-field, deep near-infrared (NIR) sky surveys will push the redshift frontier to the first luminous quasars at z~9-10; the combination with new deep X-ray surveys will probe fainter quasar populations that trace earlier phases of SMBH growth. The identification of these record-breaking quasars, and the measurements of their BH masses and accretion properties require sensitive spectroscopic observations with next generation of ground-based and space telescopes at NIR wavelengths. High-resolution integral-field spectroscopy at NIR, and observations at millimeter and radio wavelengths, will together provide a panchromatic view of the quasar host galaxies and their galactic environment at cosmic dawn, connecting SMBH growth with the rise of the earliest massive galaxies. Systematic surveys and multiwavelength follow-up observations of the earliest luminous quasars will strongly constrain the seeding and growth of the first SMBHs in the universe, and provide the best lines of sight to study the history of reionization.

研究动机与目标

• 识别并表征红移 z ≳ 9 时最早的明亮类星体，这些类星体因在 z ≈ 7 之后类星体空间密度迅速下降而被预测极为稀少。
• 约束在宇宙诞生一亿年内形成并增长至十亿倍太阳质量的黑洞的形成与增长机制。
• 通过多波段观测理解超大质量黑洞与其宿主星系在宇宙黎明时期的共同演化过程。
• 利用类星体吸收谱探测宇宙再电离的历史以及星际介质的状态。

提出的方法

• 利用广角近红外成像巡天（如 LSST、Euclid、WFIRST）结合红移消失选星技术，预测类星体发现率，以探测至 AB ≈ 23–25 的类星体。
• 将 z = 5–7 时明亮类星体的光度函数外推至更高红移，预测在可观测宇宙中，仅约 1 个由 10^9 M☉ 黑洞驱动的明亮类星体存在于 z ≳ 9 时。
• 结合深度近红外巡天与未来 X 射线巡天（如 Lynx、Athena、AXIS），探测更暗的类星体种群，以追踪黑洞吸积更早期的阶段。
• 利用 JWST 和 ELTs 的高分辨率积分场光谱技术，解析类星体宿主星系的恒星与电离气体发射，克服核源主导的挑战。
• 利用 ALMA 和升级版 ngVLA 设施，通过原子与分子谱线示踪剂（如 [CII]）测绘宿主星系中星际介质的动力学与成分。
• 应用高对比度成像与自适应光学技术，抑制核发射，以测绘高红移类星体宿主中的微弱恒星光与恒星形成区。

实验结果

研究问题

• RQ1 最早的明亮类星体的空间密度与红移分布如何？其演化在 z ≈ 7 之后呈现何种趋势？
• RQ2 质量高达 10^10 M☉ 的超大质量黑洞如何在宇宙诞生一亿年内迅速形成并增长？
• RQ3 在宇宙黎明时期，黑洞增长与大质量宿主星系的形成之间存在何种关系？其动力学与质量与本地关系相比如何？
• RQ4 在 z ≳ 8 时，星际介质在多大程度上仍为中性？再电离过程是均匀还是分块进行的？
• RQ5 最早类星体宿主星系中星际介质的物理特性与恒星形成率为何？

主要发现

• 在 z ≈ 5–6 之后，明亮类星体的空间密度迅速下降，预测在可观测宇宙中，仅约 1 个由 10^9 M☉ 黑洞驱动的明亮类星体存在于 z ≳ 9 时。
• 广角近红外巡天（如 LSST、Euclid、WFIRST）预计可发现大量再电离时期类星体（z > 7），其中 z > 8 的类星体可达数十个，甚至延伸至 z ≈ 9。
• 高红移类星体宿主星系表现出强烈的恒星形成，推算的恒星形成率可达每秒数千倍太阳质量，表明黑洞与大质量星系可能同步成长。
• ALMA 观测揭示了宿主星系形态的多样性，包括孤立的旋转系统、大质量并合系统以及紧凑的弥散主导系统，暗示了多样的演化路径。
• 从 [CII] 动力学测量得到的黑洞质量通常比本地 M_BH–M_star 关系预期值小一个数量级，表明黑洞增长可能快于宿主星系的形成。
• 由于核源辐射过强，类星体宿主的恒星与电离气体发射在静止系紫外至近红外波段仍无法探测，因此必须依赖 JWST 和 ELTs 等下一代设施才能实现直接探测。