[论文解读] ALMA unveils a triple merger and gas exchange in a hyper-luminous radio galaxy at z=2: the Dragonfly Galaxy (II)

Bjorn Emonts, C. De Breuck+10 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 42被引用 10

一句话总结

ALMA观测揭示，红移z=1.92的超亮射电星系Dragonfly星系是一次富含气体的三重并合，正经历强烈的恒星形成和气体重分布，其中分子气体的位移速率高达约~2900 M⊙ yr⁻¹，与约~3000 M⊙ yr⁻¹的恒星形成速率相当，表明潮汐相互作用或喷流等动力学过程在高红移大质量星系中对恒星形成起着关键的供料与调节作用。

ABSTRACT

The Dragonfly Galaxy (MRC0152-209), at redshift z~2, is one of the most vigorously star-forming radio galaxies in the Universe. What triggered its activity? We present ALMA Cycle 2 observations of cold molecular CO(6-5) gas and dust, which reveal that this is likely a gas-rich triple merger. It consists of a close double nucleus (separation ~4 kpc) and a weak CO-emitter at ~10 kpc distance, all of which have counterparts in HST/NICMOS imagery. The hyper-luminous starburst and powerful radio-AGN were triggered at this precoalescent stage of the merger. The CO(6-5) traces dense molecular gas in the central region, and complements existing CO(1-0) data, which revealed more widespread tidal debris of cold gas. We also find ~10$^{10}$ M(sun) of molecular gas with enhanced excitation at the highest velocities. At least 20-50% of this high-excitation, high-velocity gas shows kinematics that suggests it is being displaced and redistributed within the merger, although with line-of-sight velocities of |v| < 500 km/s, this gas will probably not escape the system. The processes that drive the redistribution of cold gas are likely related to either the gravitational interaction between two kpc-scale discs, or starburst/AGN-driven outflows. We estimate that the rate at which the molecular gas is redistributed is at least ~1200 +- 500 M(sun)/yr, and could perhaps even approach the star formation rate of ~3000 +- 800 M(sun)/yr. The fact that the gas depletion and gas redistribution timescales are similar implies that dynamical processes can be important in the evolution of massive high-z galaxies.

研究动机与目标

• 研究冷分子气体在触发高红移超亮射电星系中极端恒星形成和活动星系核（AGN）活动中的作用。
• 确定富含气体的并合是否是z~2附近大质量星系达到活动峰值的主要机制。
• 评估气体重分布的动力学特性及其与恒星形成和反馈过程的关联。
• 利用高分辨率ALMA数据解析前并合并合系统中分子气体的运动学与激发态。
• 明确潮汐力与AGN/星暴驱动喷流在主导观测到的气体运动学与质量输运中所占的比重。

提出的方法

• 在z=1.92处进行高分辨率（0.3″）ALMA周期2观测，获取CO(6-5)发射线与尘埃连续成分。
• 将CO(6-5)数据与现有CO(1-0)数据结合，以追踪致密的中心气体与广泛的潮汐碎片。
• 通过运动学建模，利用关系式Ṁ ≈ M_H2 × v_ejecta × R⁻¹估算气体质量输运速率。
• 应用Kennicutt-Schmidt定律，根据红外 luminosity（L_IR ~ 2×10¹³ L⊙）估算恒星形成速率。
• 通过计算在双核间距4 kpc处的逃逸速度（~1000 km s⁻¹）评估引力束缚状态。
• 评估能量预算，检验AGN与超新星反馈是否足以驱动观测到的喷流。

实验结果

研究问题

• RQ1 三重并合在触发Dragonfly星系中极端明亮星暴与强大射电AGN中的作用是什么？
• RQ2 分子气体在并合系统内部如何被重分布？其重分布的驱动力量是什么？
• RQ3 气体质量输运速率是多少？与恒星形成速率及气体耗尽 timescale 相比如何？
• RQ4 观测到的高速气体是否仍处于引力束缚状态，或已逃逸出系统？
• RQ5 潮汐相互作用与AGN/星暴驱动喷流在主导气体运动学与激发状态方面各占多大程度？

主要发现

• Dragonfly星系为三重并合，包含一对近距离双核（分离约4 kpc）及一个位于约10 kpc外的第三CO发射成分，均在HST/NICMOS成像中可见。
• CO(6-5)追踪中心区域的致密分子气体，而CO(1-0)揭示了广泛分布的潮汐碎片，表明该并合处于前并合阶段。
• 至少10¹⁰ M⊙的分子气体表现出增强的激发态与类似喷流的高速运动学特征，视线速度低于500 km s⁻¹。
• 气体重分布速率最低达~1200 ± 500 M⊙ yr⁻¹，可能高达~2900 ± 1600 M⊙ yr⁻¹，接近观测到的恒星形成速率（~3000 ± 800 M⊙ yr⁻¹）。
• 气体重分布与耗尽 timescale 相当（约11 Myr），表明动力学过程可调节大质量高红移星系中爆发式恒星形成。
• 观测到的高速气体处于引力束缚状态（逃逸速度~1000 km s⁻¹），因此很可能作为未来恒星形成的燃料库长期留存。