[論文レビュー] Ultra-luminous high-redshift quasars from SkyMapper -- II. New quasars and the bright end of the luminosity function

Christopher A. Onken, Christian Wolf+6 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 67被引用数 23

ひとこと要約

本研究では、スカイマッパー南天調査を用いて、142個の高赤方偏移クェーサー（3.8 < z < 5.5）の新サンプルを提示する。多波長の光度測定とガイアの天体測定を組み合わせることで、z = 4.7 における M145 < -27.33 AB mag および z = 5.4 における M145 < -27.73 AB mag で80%以上の完全性を達成した。本研究では、静止系300 nmにおけるクェーサーの明るい端の発光関数の最初の直接測定がなされ、145 nm発光関数の勾配は β = -3.38 ± 0.32 および β = -3.60 ± 0.37 に refined され、これまでの推定値と整合的である。

ABSTRACT

We search for ultra-luminous Quasi-Stellar Objects (QSOs) at high redshift using photometry from the SkyMapper Southern Survey Data Release 3 (DR3), in combination with 2MASS, VHS DR6, VIKING DR5, AllWISE, and CatWISE2020, as well as parallaxes and proper motions from Gaia DR2 and eDR3. We report 142 newly discovered Southern QSOs at $3.8<z<5.5$, of which 126 have $M_{145} <-27$ ABmag and are found in a search area of 14,486 deg$^2$. This Southern sample, utilising the Gaia astrometry to offset wider photometric colour criteria, achieves unprecedented completeness for an ultra-luminous QSO search at high redshift. In combination with already known QSOs, we construct a sample that is $>80$ per cent complete for $M_{145}<-27.33$ ABmag at $z=4.7$ and for $M_{145}<-27.73$ ABmag at $z=5.4$. We derive the bright end of the QSO luminosity function at restframe 145 nm for $z=4.7-5.4$ and measure its slope to be $\beta = -3.60\pm0.37$ and $\beta = -3.38\pm0.32$ for two different estimates of the faint-end QSO density adopted from the literature. We also present the first $z\sim 5$ QSO luminosity function at restframe 300 nm.

研究の動機と目的

• 北半球に偏ったサンプルによる制限を受けてきた南天における超高輝度高赤方偏移クェーサーの発見。
• スカイマッパーDR3と多波長光度測定およびガイア天体測定を組み合わせることで、クェーサー発光関数の明るい端における完全性の向上。
• 静止系145 nmにおけるクェーサー発光関数の明るい端の勾配の測定、および高赤方偏移クェーサーにおいて、初めて静止系300 nmにおける発光関数の測定。
• ガイアの視差および自己運動を用いた冷却星の混入を低減し、より深くより完全なクェーサー探索を可能にする。

提案手法

• スカイマッパーDR3、2MASS、VHS DR6、VIKING DR5、AllWISE、ガイアDR2/eDR3を用いて、光度測定および天体測定のための候補リストを構築。
• 冷却星を効果的に除外するように最適化された色-色選別基準を適用し、ガイアの自己運動および視差を活用。
• zPSF ≈ 19 AB mag までに及ぶ候補に対して分光的追従観測を実施し、クェーサーの赤方偏移および発光度を確認。
• 光度赤方偏移およびK補正を用いて、静止系145 nmおよび300 nmにおける絶対等級を計算。
• Schechter関数を用いてクェーサー発光関数をフィットし、文献からの2つの明るい端密度の推定値を用いた。
• 選別効果をモデル化し、既知のクェーサーと観測サンプルを比較することで完全性を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多波長光度測定とガイア天体測定を用いた南天における超高輝度クェーサー探索の完全性限界は何か？
• RQ2 4.7 < z < 5.4 の範囲で、静止系145 nmにおけるクェーサー発光関数の明るい端の勾配は何か？
• RQ3 高赤方偏移クェーサーにおける静止系300 nmにおけるクェーサー発光関数の最初の直接測定は何か？
• RQ4 南天データの組み込みは、北半球のみのサンプルと比較して、高赤方偏移クェーサー発光関数の統計的妥当性をどのように向上させるか？

主な発見

• 14,486 deg²の領域に、142個の新しい高赤方偏移クェーサーを発見し、そのうち126個が M145 < -27 AB mag を満たしており、超高輝度クェーサーのサンプルが顕著に拡大された。
• z = 4.7 における M145 < -27.33 AB mag および z = 5.4 における M145 < -27.73 AB mag で80%以上の完全性を達成しており、調査の完全性において顕著な向上が見られた。
• 静止系145 nmにおけるクェーサー発光関数の明るい端の勾配は、β = -3.38 ± 0.32 および β = -3.60 ± 0.37 に測定され、それぞれの明るい端密度の仮定に依存する。
• 本研究では、静止系300 nmにおけるクェーサー発光関数の最初の直接測定がなされ、145 nm LF では β = -3.43 ± 0.32、300 nm LF では z = 4.4–4.7 範囲で β = -3.18 ± 0.22 であった。
• 結果は、明るい端の発光関数勾配が過去の推定値と整合的であることを確認しているが、より大きな、より完全なサンプルのおかげで統計的精度が向上している。
• ガイア天体測定の使用により、星の混入が顕著に低減され、南天におけるより深く信頼性の高いクェーサー選別が可能になった。