[論文レビュー] The WISSH quasars project

M. Bischetti, E. Piconcelli+12 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2018

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 77被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、z ≈ 4.4のハイパーギアント・クェーサー J1015+0020におけるALMAの高分解能観測を報告し、その近傍に顕著な[CII]発光銀河の過剰密度を明らかにした。データは、クェーサー主星とその同伴銀河が合わせて約800 M⊙/yrの星形成率を示しており、合計の星形成物質量は10¹¹ M⊙を超える。これは、巨大銀河の形成が主にクェーサー本体ではなくその衛星銀河で起こったことを示唆し、Mdyn/MBH比が極めて低く（約7）なっていることから、標準的なスケーリング関係に反する。

ABSTRACT

We present an ALMA high-resolution observation of the 840 um continuum and [CII] line emission in the WISE-SDSS selected hyper-luminous (WISSH) QSO J1015+0020 at z~4.4. Our analysis reveals an exceptional overdensity of [CII]-emitting companions with a very small (<150 km/s) velocity shift with respect to the QSO redshift. We report the discovery of the closest companion observed so far in submillimetre observations of high-z QSOs. It is only 2.2 kpc distant and merging with J1015+0020, while two other [CII] emitters are found at 8 and 17 kpc. Two strong continuum emitters are also detected at <3.5 arcsec. They are likely associated to the same overdense structure of J1015+0020, as they exceed by a factor of 100 the number of expected sources, considering the Log(N)-Log(S) at 850 um. The host galaxy of J1015+0020 shows a SFR of about 100 Msun/yr while the total SFR of the QSO and its companion galaxies is a factor of 10 higher, indicating that substantial stellar mass assembly at early epochs may have taken place in the QSO satellites. For J1015+0020 we compute a SMBH mass MBH~6E9 Msun and a dynamical mass Mdyn~4E10 Msun . This translates into an extreme ratio Mdyn/MBH~7. The total stellar mass of the QSO host galaxy plus the [CII] emitters already exceeds 1E11 Msun at z~4.4. These sources will likely merge and develop into a giant galaxy of 1.3E12 Msun. Under the assumption of constant mass or Eddington accretion rate equal to the observed values, we find that the growth timescale of the host galaxy is comparable or even shorter than that inferred for the SMBH.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移クェーサーを用いて、初期宇宙における超大質量ブラックホールとその主星系の共進化を調査すること。
• z ≈ 4.4における銀河の相互作用や合体が、星形成およびブラックホール降着をどのように引き起こすかを理解すること。
• 極端で高赤方偏移環境における局所的M_BH–M_dynスケーリング関係の妥当性を検証すること。
• ハイパーギアント・クェーサーの主星系が、局所の巨大楕円銀河と同等の質量星系をすでに形成しているかどうかを特定すること。

提案手法

• 840 µm連続スペクトルおよび[CII] λ157.74 µm線放出の、0.18′′ × 0.21′′の空間分解能における高分解能ALMA観測。
• [CII]線プロファイルからの赤方偏移、ドップラー速度分散および動的質量の測定のためのスペクトル線解析。
• 連続スペクトル源の写真測光およびフラックス密度測定により、星形成率の推定および同伴銀河の同定。
• 850 µmにおける観測源数を、期待されるLog(N)−Log(S分布と比較して、過剰密度の有意性を評価。
• CIV線プロファイルと[CII]運動論的質量を用いたブラックホール質量の推定。
• 一定の降着率またはEddington比を仮定した降着および成長時間スケールのモデリングにより、SMBHと主星系の成長を比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z ≈ 4.4におけるハイパーギアント・クェーサーJ1015+0020の周囲における[CII]発光銀河の空間的・運動論的分布はいかなるものか？
• RQ2 クェーサーとその同伴銀河における合計星形成率は、クェーサー主星のみの星形成率と比べてどの程度か？
• RQ3 クェーサー主星の動的質量は何か？ そのM_dyn/MBH比は、局所的スケーリング関係と比べてどうか？
• RQ4 同伴銀河が、z ≈ 4.4におけるシステム全体の星形成物質量の蓄積にどの程度寄与しているか？
• RQ5 観測された降着率を前提とした場合、超大質量ブラックホールとその主星系の成長時間スケールは同等か？

主な発見

• J1015+0020から2.2 kpc離れた位置に、150 km s⁻¹未塔のドップラー速度シフトを示す同伴銀河が検出され、合体系であることが示唆された。
• クェーサーから17 kpc圏内に3つの[CII]発光銀河が検出され、最も近いものは2.2 kpcに位置し、クェーサー主星と合体している。
• クェーサーとその同伴銀河における合計星形成率は約800 M⊙/yrであり、うち約700 M⊙/yrが2つの連続スペクトル源（Cont1およびCont2）に、約100 M⊙/yrが[CII]発光銀河に寄与している。
• クェーサー主星の動的質量は約4 × 10¹⁰ M⊙であり、ブラックホール質量は約6 × 10⁹ M⊙であり、M_dyn/MBH比は約7に達する。これは典型的な局所的値と比べて2桁も小さい。
• z ≈ 4.4におけるクェーサーとその[CII]発光同伴銀河の合計星形成物質量は10¹¹ M⊙を超えており、今後は約1.3 × 10¹² M⊙の巨大銀河に進化すると予想される。
• 一定の降着率またはEddington比を仮定した場合、主星系の成長時間スケールはブラックホールの成長時間スケールと同等または短く、主星系がブラックホールの成長よりも速く質量を蓄積した可能性を示唆している。