[论文解读] A highly magnified gravitationally lensed red quasar at z = 2.5 with significant flux anomaly: Uncovering a missing population

E. Glikman, C. E. Rusu+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2018

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 11

一句话总结

本研究通过红外与WISE颜色选择，在 z = 2.517 处发现了一颗高度放大的引力透镜红斑状星系核，其最亮像的流量异常显著（比预期亮度高约7–11倍）。该星系核的本征光度适中（log L_{6μm} ≈ 32.4–32.8），尘埃消光（E(B−V) = 0.7）为本征性质，非源自透镜星系，揭示了在合并驱动演化模型中被遗漏的一类典型、中等光度、尘埃遮蔽的星系核。

ABSTRACT

We present the discovery of a gravitationally lensed dust-reddened QSO at $z=2.517$ discovered in a survey for red QSOs by infrared selection. $Hubble~Space~Telescope$ imaging in the WFC3/IR F160W and F125W filters reveals a quadruply lensed system in a cusp configuration. We find that compared to the central image of the cusp, the nearby, brightest image is anomalous by a factor of $\\sim7-11$. Although the source is extremely bright in the mid-infrared, a magnification by a factor of $\\sim50-120$ places an upper limit of 1.35 mJy on the intrinsic mid-infrared brightness, well below the $WISE~W4$ detection limit of 6 mJy. We find that this QSO is moderately reddened, with $E(B-V)=0.7$ and that $\\sim1\\%$ of the intrinsic spectrum is leaked back into the line of sight resulting in an upturn in its UV spectrum. We conclude that the QSO's reddening is intrinsic and not due to the lens. Consistent with previous red quasar samples, this source exhibits outflows in its spectrum as well as morphological properties suggestive of it being in a merger-driven transitional phase. Depending on how $L_{\ m bol}$ is computed, the quasar's accretion rate may be as high as $0.26~L_{\ m Edd}$. We detect two Lyman limit systems, at $z=2.102$ and $z=2.431$, with absorption by metal lines likely at small impact parameter to the QSO, and a putative lens redshift of $z=0.599$. Given the rarity of quad lenses, the discovery of this source allows detailed study of a less luminous, more typical infrared-selected quasar at high redshift.

研究动机与目标

• 通过红外与WISE颜色选择，识别并表征一颗罕见的、高度放大的、高红移（z ≈ 2.5）引力透镜红斑状星系核。
• 确定透镜像中观测到的流量异常是否由微引力透镜效应或子结构引起，而非本征变异性。
• 通过光谱与测光分析，评估尘埃消光是源自星系核本身，还是由透镜星系引起。
• 估算该高红移星系核的本征光度、黑洞质量与爱丁顿比，并将其置于超大质量黑洞-宿主星系光度关系中。
• 揭示在光学与射电巡天中被低估的一类典型、中等光度、尘埃遮蔽的星系核，即在合并驱动演化模型中缺失的一类星系核。

提出的方法

• 利用哈勃空间望远镜 WFC3/IR 在 F160W 与 F125W 滤光片下的成像，解析了呈尖角构型的四重透镜系统。
• 应用强引力透镜建模，估算放大因子（53–122），并重建未透镜化源的性质。
• 开展光学与近红外光谱观测（Keck/LRIS、IRTF/SpeX、LBT/MODS1B），测量红移、尘埃消光（E(B−V)）并探测外流与吸收线。
• 结合 WISE W4 波段（22 μm）与 HST F160W 测光，估算本征中红外光度，推断总辐射光度与爱丁顿比。
• 分析位于 z = 2.102 与 z = 2.431 的莱曼截止系统，探测小撞击参数下的星际介质与金属吸收。
• 建模宿主星系的扩展光分布与残余透镜特征，以优化质量模型并评估微引力透镜效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 该透镜星系核最亮像中观测到的流量异常是否由透镜系统中的微引力透镜效应或子结构引起？
• RQ2 该星系核的尘埃消光是源自其宿主星系本身，还是由透镜星系造成？
• RQ3 该高红移星系核的本征光度与爱丁顿比为何？其与更明亮的红斑状星系核样本相比有何差异？
• RQ4 该系统在揭示合并驱动演化模型中缺失的一类典型、中等光度、尘埃遮蔽星系核方面发挥何种作用？
• RQ5 宿主星系的形态与恒星形成活动如何支持该星系核为合并驱动的过渡阶段？

主要发现

• 该星系核被引力透镜形成尖角构型，其异常像比标准透镜模型预测的亮度高约7–11倍。
• 本征中红外光度估算为 log L_{6μm} ≈ 32.4–32.8 erg s⁻¹ Hz⁻¹，位于星系核光度函数的膝部附近，表明其为典型而非极端光度。
• 尘埃消光为星系核本征性质，E(B−V) = 0.7，仅有约1%的本征谱漏回视线方向，导致紫外波段上翘。
• 黑洞质量估算为 log(M_BH/M☉) = 7.54–8.02，取决于光度校准方式，若总辐射光度由22 μm通量推导，则爱丁顿比可达0.26。
• 光谱证据确认存在外流与金属吸收线，与合并驱动的过渡阶段一致，宿主星系表现出恒星形成增强与可能的合并形态迹象。
• 透镜模型表明潜在透镜红移为 z = 0.599，且探测到两个莱曼截止系统，分别位于 z = 2.102 与 z = 2.431，伴有金属线吸收。