[论文解读] ALMA Confirmation of an Obscured Hyperluminous Radio-Loud AGN at $z=6.853$ Associated with a Dusty Starburst in the 1.5 deg$^2$ COSMOS Field

Ryan Endsley, Daniel P. Stark+8 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 7

一句话总结

本文报告了在宇宙学深度场（COSMOS）中发现一个红移z=6.853的超亮、射电噪的活动星系核（AGN）的ALMA确认结果，该AGN宿主为尘埃遮蔽的星暴星系，其158 μm连续谱亮度为9×10¹² L⊙，恒星形成速率为1300 M⊙/yr。该AGN严重遮蔽（τ₉.₇≈2.3），总辐射亮度约为5×10¹³ L⊙，表明其拥有约1.6×10⁹ M⊙的黑洞，以接近爱丁顿极限的速率吸积物质，是再电离时期早期极为罕见、高度遮蔽的类类星体系统。

ABSTRACT

We present band 6 ALMA observations of a heavily-obscured radio-loud ($L_{1.4\ \mathrm{GHz}}=10^{25.4}$ W Hz$^{-1}$) AGN candidate at $z_\mathrm{phot}=6.83\pm0.06$ found in the 1.5 deg$^2$ COSMOS field. The ALMA data reveal detections of exceptionally strong [CII]158$μ$m ($z_\mathrm{[CII]}=6.8532$) and underlying dust continuum emission from this object (COS-87259), where the [CII] line luminosity, line width, and 158$μ$m continuum luminosity are comparable to that seen from $z\sim7$ sub-mm galaxies and quasar hosts. The 158$μ$m continuum detection suggests a total infrared luminosity of $9 imes10^{12}$ $L_\odot$ with corresponding very large obscured star formation rate (1300 $M_\odot$/yr) and dust mass ($2 imes10^9$ $M_\odot$). The strong break seen between the VIRCam and IRAC photometry perhaps suggests that COS-87259 is an extremely massive reionization era galaxy with $M_\ast\approx1.7 imes10^{11}$ $M_\odot$. Moreover, the MIPS, PACS, and SPIRE detections imply that this object harbors an AGN that is heavily obscured ($τ_{_{\mathrm{9.7μm}}}=2.3$) with a bolometric luminosity of approximately $5 imes10^{13}$ $L_\odot$. Such a very high AGN luminosity suggests this object is powered by an $\approx$1.6 $ imes$ 10$^9$ $M_\odot$ black hole if accreting near the Eddington limit, and is effectively a highly-obscured version of an extremely UV-luminous ($M_{1450}\approx-27.3$) $z\sim7$ quasar. Notably, these $z\sim7$ quasars are an exceedingly rare population ($\sim$0.001 deg$^{-2}$) while COS-87259 was identified over a relatively small field. Future very wide-area surveys with, e.g., Roman and Euclid have the potential to identify many more extremely red yet UV-bright $z\gtrsim7$ objects similar to COS-87259, providing richer insight into the occurrence of intense obscured star formation and supermassive black hole growth among this population.

研究动机与目标

• 在深度广域巡天中识别并表征极罕见的、超亮的、射电噪的AGN候选体（z≈7）。
• 通过多波段后续观测，确定COS-87259（COSMOS场中一个高度遮蔽、紫外明亮的源）的本质。
• 利用ALMA与多波段测光，测量高红移AGN宿主系统的恒星形成速率、尘埃质量与黑洞质量。
• 通过深度亚毫米波与射电观测，评估遮蔽AGN与强烈恒星形成在大质量再电离时期星系中的普遍性。
• 评估未来广域巡天（如Roman、Euclid）在更大体积内探测类似极端系统的潜力。

提出的方法

• 在1.3 mm波段（ALMA波段6）进行深度观测，以探测COS-87259在z=6.853处的[CII]158 μm发射线与尘埃连续谱。
• 将ALMA数据与哈勃望远镜（HST）、斯皮itzer/IRAC、赫歇尔/PACS、SPIRE与MIPS的多波段测光数据结合，用于拟合光谱能量分布（SED）。
• 通过SED拟合估算尘埃遮蔽程度（τ₉.₇=2.3）、总红外亮度（9×10¹² L⊙）与恒星形成速率（1300 M⊙/yr）。
• 在假设爱丁顿极限吸积的前提下，由总辐射亮度（~5×10¹³ L⊙）推断黑洞质量（~1.6×10⁹ M⊙）。
• 通过SED建模评估恒星质量，得到M∗≈1.7×10¹¹ M⊙（在标准假设下），但对恒星形成历史敏感。
• 通过与该场已知类星体与亚毫米波星系的密度比较，评估此类系统的稀有性。

实验结果

研究问题

• RQ1 COSMOS场中红移≈6.85的高遮蔽、射电噪AGN候选体COS-87259的本质是什么？
• RQ2 该AGN宿主星系的恒星形成速率与尘埃质量为何？其推断依据来自ALMA与远红外测光。
• RQ3 驱动该AGN的超大质量黑洞质量是多少？其是否以接近爱丁顿极限的速率吸积物质？
• RQ4 在早期宇宙中，此类超亮、遮蔽的AGN与强烈恒星形成现象有多普遍？这对再电离时期星系演化有何启示？
• RQ5 未来广域巡天（如Roman、Euclid）在更大区域探测类似极端系统的潜力如何？

主要发现

• ALMA在z=6.8532处探测到强烈的[CII]158 μm发射线与158 μm尘埃连续谱，证实存在一个质量巨大、富含尘埃的星暴宿主星系。
• 158 μm连续谱亮度表明总红外亮度为9×10¹² L⊙，尘埃质量为2×10⁹ M⊙。
• 恒星形成速率估计为1300 M⊙/yr，与z≈7亚毫米波星系中的极端星暴活动一致。
• 该AGN严重遮蔽（τ₉.₇=2.3），总辐射亮度约为5×10¹³ L⊙，若以接近爱丁顿极限吸积，则黑洞质量约为1.6×10⁹ M⊙。
• 恒星质量估算达1.7×10¹¹ M⊙，显著超过本地黑洞-宿主星系关系，表明其经历了极端早期增长。
• 此类系统极为稀有（约0.001 deg⁻²），但未来广域巡天（如Roman与Euclid）预计可探测到更多此类系统，从而实现对早期大质量星系中遮蔽AGN与恒星形成活动的普查。