[論文レビュー] The WISSH quasars project: VIII. Outflows and metals in the circum-galactic medium around the hyper-luminous z ∼ 3.6 quasar J1538+08

A. Travascio, L. Zappacosta+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 55被引用数 37

ひとこと要約

本研究では、赤方偏移 z ≈ 3.6 のハイパーリュミノスなクェーサー J1538+08 における VLT/MUSE の積分場分光法観測を報告し、周囲銀河系媒体（CGM）に、巨大で明るい（約 2 × 10⁴⁴ erg s⁻¹）、150 kpc の Lyαネビュラと、おそらく 75 kpc の CIV ネビュラが存在することを明らかにした。ネビュラは広がったブルーシフトした Lyα 成分（σ ≈ 1200 km s⁻¹、v_shift ≈ -1500 km s⁻¹）を示しており、数万光年におよぶ範囲に広がる強力な流れを示しており、CIV 発光によって金属が豊富であることが確認された。これは、電波非放射性クェーサーの周囲銀河系媒体で、流れ駆動のイオン化ガスが直接検出された最初の例の一つである。

ABSTRACT

Context. In recent years, Lyα nebulae have been routinely detected around high redshift, radio-quiet quasars thanks to the advent of the highly sensitive integral field spectrographs. Constraining the physical properties of the Lyα nebulae is crucial for a full understanding of the circum-galactic medium (CGM). The CGM acts both as a repository for intergalactic and galactic baryons as well as a venue of feeding and feedback processes. The most luminous quasars are privileged test-beds to study these processes, given their large ionising fluxes and dense CGM environments in which they are expected to be embedded. Aims. We aim to characterise the rest-frame ultraviolet (UV) emission lines in the CGM around a hyper-luminous, broad emission line, radio-quiet quasar at z ∼ 3.6, which exhibits powerful outflows at both nuclear and host galaxy scales. Methods. We analyse VLT/MUSE observations of the quasar J1538+08 (Lbol = 6 × 1047 erg s-1), and we performed a search for extended UV emission lines to characterise its morphology, emissivity, kinematics, and metal content. Results. We report the discovery of a very luminous (∼2 × 1044 erg s-1), giant Lyα nebula and a likely associated extended (75 kpc) CIV nebula. The Lyα nebula emission exhibits moderate blueshift (∼440 km s-1) compared to the quasar systemic redshift and a large average velocity dispersion (σ̄v ∼700 km s-1) across the nebula, while the CIV nebula shows average velocity dispersion of σ̄v ∼350 km s-1. The Lyα line profile exhibits a significant asymmetry towards negative velocity values at 20-30 kpc south of the quasar and is well parametrised by the following two Gaussian components: a narrow (σ ∼ 470 km s-1) systemic one plus a broad (σ ∼ 1200 km s-1), blueshifted (∼1500 km s-1) one. Conclusions. Our analysis of the MUSE observation of J1538+08 reveals metal-enriched CGM around this hyper-luminous quasar. Furthermore, our detection of blueshifted emission in the emission profile of the Lyα nebula suggests that powerful nuclear outflows can propagate through the CGM over tens of kiloparsecs.

研究の動機と目的

• 赤方偏移 z ≈ 3.6 のハイパーリュミノスで、ライン幅が広い電波非放射性クェーサーの周囲銀河系媒体（CGM）における復元フレーム UV 発光ラインを特徴づけること。
• J1538+08 の周囲の CGM における延長発光ラインの形態、運動学、発光度、金属含有量を調査すること。
• 核および宿主銀河スケールで観測された強力な核的流れが、CGM を通過してその物理的状態に影響を及ぼすかどうかを検証すること。
• 流れが金属を CGM に運搬し、延長ネビュラ発光の運動学的性質を形作る役割を評価すること。

提案手法

• クェーサー J1538+08 の深さのある VLT/MUSE 積分場分光法観測を分析し、1.5×1.5 アクルミンの視野をカバーする。
• 空間分解スペクトルフィッティングを用いて、延長 Lyα および CIV 発光ラインの検出と2次元マッピングを行う。
• ラインプロファイルへのガウス成分フィッティングを用いて、ネビュラ全域における径方向速度および速度分散プロファイルを算出する。
• Lyα 発光の歪度マッピングを行い、流れガスを示す非対称プロファイルを特定する。
• レゾナント散乱、蛍光、衝撃励起のモデルと観測されたラインプロファイルを比較し、励起メカニズムを推定する。
• 運動学的パrameterと空間的広がりを用いて、流れの質量損失率と力学的 timescale を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤方偏移 z ≈ 3.6 のハイパーリュミノスクェーサー J1538+08 の周囲銀河系媒体（CGM）における Lyα および CIV 発光の空間的広がり、形態、運動学的性質は何か？
• RQ2 J1538+08 の周囲に金属が豊富な CGM が存在する証拠はあるか？ また、それは Lyα ネビュラとどのように空間的に相関しているか？
• RQ3 Lyα ネビュラの運動学的性質、特に速度分散と非対称性は、クェーサーによって駆動される大規模な流れが存在することを示唆しているか？
• RQ4 観測されたブルーシフトで広がった Lyα 発光成分は、数万光年にわたる範囲に広がる単一の流れガス成分に起因しているとみなせるか？
• RQ5 延長 Lyα 発光を駆動する物理的メカニズムは何か？ レゾナント散乱、蛍光、または衝撃励起のどれか？

主な発見

• 150 kpc の投影サイズと約 2 × 10⁴⁴ erg s⁻¹ の輝度を持つ巨大な Lyα ネビュラが検出され、これはこれまでに知られている最も明るい Lyα-CEN の一つである。
• 約 75 kpc の空間的延長を持つ CIV ネビュラが検出され、Lyα 発光ピークと空間的に一致しており、表面輝度プロファイルも類似しているため、物理的に関連している可能性が高い。
• Lyα ネビュラの平均速度分散は ≈700 km s⁻¹ であり、電波非放射性クェーサーの典型的な値よりも顕著に高く、電波放射性システムや流れ支配の環境で見られる値に近い。
• クェーサーの南 20–30 kpc の領域における Lyα ラインプロファイルは、強い負の歪度を示し、2つのガウス成分で最もよくフィットする：狭帯域のシステム的成分（σ ≈ 470 km s⁻¹）と広がったブルーシフト成分（σ ≈ 1200 km s⁻¹、v_shift ≈ -1500 km s⁻¹）。
• 大規模な投影距離（最大 30 kpc）における広がったブルーシフトした Lyα 成分の存在は、kpc スケールにまで広がる強力なイオン化流れが CGM を通過しているという、直接的な分光的証拠を示している。
• ネビュラの運動学的および形態的性質に加え、CIV 発光の検出により、J1538+08 の周囲の CGM が金属で豊富であり、クェーサー駆動の流れによって動的に影響を受けていることが確認された。