[论文解读] A search for clusters at high redshift - IV. Spectroscopy of H-alpha emitters in a proto-cluster at z=2.16

J. Kurk, L. Pentericci+3 more|ArXiv.org|Oct 7, 2004

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 53

一句话总结

本研究利用甚大望远镜/ISAAC红外光谱仪，在射电星系PKS 1138−262周围的原星系团中，确认了九个红移z ≈ 2.16的Hα发射星系。较低的径向速度 dispersion（360 km s⁻¹）和一致的Hα红移证实了它们与原星系团的物理关联，揭示其恒星形成率密度比类似红移下的HDF-N区域高5–10倍，且由年龄≤100 Myr、中等金属丰度的年轻恒星种群驱动发射。

ABSTRACT

Radio galaxy PKS 1138-262 is a massive galaxy at z=2.16, located in a dense environment. We have found an overdensity of Ly-alpha emitting galaxies in this field, consistent with a proto-cluster structure associated with the radio galaxy. Recently, we have discovered forty candidate H-alpha emitters by their excess near infrared narrow band flux. Here, we present infrared spectroscopy of nine of the brightest candidate H-alpha emitters. All these candidates show an emission line at the expected wavelength. The identification of three of these lines with H-alpha is confirmed by accompanying [NII] emission. The spectra of the other candidates are consistent with H-alpha emission at z~2.15, one being a QSO as indicated by the broadness of its emission line. The velocity dispersion of the emitters (360 km/s) is significantly smaller than that of the narrow band filter used for their selection (1600 km/s). We therefore conclude that the emitters are associated with the radio galaxy. The star formation rates (SFRs) deduced from the H-alpha flux are in the range 6-44 M_solar/yr and the SFR density observed is 5-10 times higher than in the HDF-N at z=2.23. The properties of the narrow emission lines indicate that the emitters are powered by star formation and contain very young (< 100 Myr) stellar populations with moderately high metallicities.

研究动机与目标

• 确认在射电星系PKS 1138−262周围高红移原星系团环境中候选Hα发射体的红移及其物理关联。
• 通过测量Hα发射体的径向速度 dispersion，评估其动力学一致性，并与原星系团结构关联。
• 利用发射线诊断方法，测定发射体的恒星形成率及物理条件（金属丰度、年龄）。
• 将观测到的恒星形成率密度与HDF-N在z ≈ 2.23时的值进行比较，评估环境对恒星形成率的增强效应。
• 通过[N ii]/Hα比值和线宽分析，探究发射线的激发机制（Hα与AGN或激波激发）

提出的方法

• 在12.5平方弧分的区域进行近红外Ks波段和窄带滤镜（中心波长λc = 2.07 μm，带宽FWHM = 0.026 μm）成像，以识别z ≈ 2.16处的Hα发射体。
• 选取40个候选Hα发射体，其静止 frame 等效宽度>25 Å，且Hα通量>3.5×10⁻¹⁷ erg cm⁻² s⁻¹，优先选择靠近射电星系且适合光谱观测的源。
• 利用甚大望远镜（UT1）上的ISAAC仪器进行深度红外光谱观测，使用1″×120″狭缝和中分辨率光栅（波长色散：1.23 Å/pixel，分辨率~2600，FWHM ~7 Å）。
• 应用标准数据处理流程：成对帧减除、利用OH天光线进行波长定标，并通过在不同天顶角观测的标准星进行大气吸收修正。
• 以B1型星（Hip043868）作为通量参考，假设其为25,500 K的黑体谱，归一化至其K星等。
• 通过与z ≈ 2.16处Hα的红移一致性判断发射线，辅以[N ii]双峰检测和[N ii]/Hα比值分析进行确认。

实验结果

研究问题

• RQ1 z ≈ 2.16处的候选Hα发射体是否与PKS 1138−262周围的原星系团存在物理关联？
• RQ2 Hα发射体的径向速度 dispersion 是多少？其值是否支持其属于单一高密度结构？
• RQ3 该原星系团中Hα发射星系的恒星形成率及物理条件（金属丰度、年龄）如何？
• RQ4 该原星系团中的恒星形成率密度与HDF-N在z ≈ 2.23时的值相比如何？
• RQ5 所检测到的发射线的主导激发机制是什么（恒星形成 vs. AGN）？

主要发现

• 所有九个观测到的Hα候选体均在z ≈ 2.16处的预期波长处表现出发射线，其中三个通过6583 Å处的[N ii]发射得到Hα确认。
• Hα发射体的径向速度 dispersion 为360 km s⁻¹，显著小于窄带滤镜的1600 km s⁻¹带宽，证实其与原星系团的物理关联。
• 由Hα通量推导的恒星形成率在6至44 M⊙ yr⁻¹之间，总恒星形成率密度比HDF-N在z ≈ 2.23时的值高5–10倍。
• 三个发射体的[N ii]/Hα比值表明金属丰度为12 + log(O/H) ≈ 8.7，与中等高金属丰度的星系形成星系一致。
• 极高的静止 frame 等效宽度（最高达1350 Å）和较窄的线宽（FWHM：40–360 km s⁻¹，平均190 km s⁻¹）表明存在年龄小于100 Myr的极年轻恒星种群，且恒星形成仍在进行或刚刚结束。
• 一个天体表现出宽发射线，确认为类星体；另一个显示两条独立的发射线，可能来自单个星系内的两个不同发射区。