[论文解读] An Extreme Starburst in Close Proximity to the Central Galaxy of a Rich Galaxy Cluster at z=1.7

Tracy Webb, Allison Noble+20 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 78被引用 27

一句话总结

本研究在 z=1.7089 处发现了一个罕见且富集的星系团，其核心最亮团星系（BCG）中存在极端的恒星爆发，由富含气体的相互作用驱动。多波段数据揭示其恒星形成速率为 ~860 M☉/yr，66 kpc 长的“串珠状”结构表明近期发生了湿并合，为高红移早期 BCG 通过湿并合实现质量增长提供了直接证据。

ABSTRACT

We have discovered an optically rich galaxy cluster at z=1.7089 with star formation occurring in close proximity to the central galaxy. The system, SpARCS104922.6+564032.5, was detected within the Spitzer Adaptation of the red-sequence Cluster Survey, (SpARCS), and confirmed through Keck-MOSFIRE spectroscopy. The rest-frame optical richness of Ngal(500kpc) = 30+/-8 implies a total halo mass, within 500kpc, of ~3.8+/-1.2 x 10^14 Msun, comparable to other clusters at or above this redshift. There is a wealth of ancillary data available, including Canada-France-Hawaii Telescope optical, UKIRT-K, Spitzer-IRAC/MIPS, and Herschel-SPIRE. This work adds submillimeter imaging with the SCUBA2 camera on the James Clerk Maxwell Telescope and near-infrared imaging with the Hubble Space Telescope (HST). The mid/far-infrared (M/FIR) data detect an Ultra-luminous Infrared Galaxy spatially coincident with the central galaxy, with LIR = 6.2+/-0.9 x 10^12 Lsun. The detection of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) at z=1.7 in a Spitzer-IRS spectrum of the source implies the FIR luminosity is dominated by star formation (an Active Galactic Nucleus contribution of 20%) with a rate of ~860+/-30 Msun/yr. The optical source corresponding to the IR emission is likely a chain of of > 10 individual clumps arranged as "beads on a string" over a linear scale of 66 kpc. Its morphology and proximity to the Brightest Cluster Galaxy imply a gas-rich interaction at the center of the cluster triggered the star formation. This system indicates that wet mergers may be an important process in forming the stellar mass of BCGs at early times.

研究动机与目标

• 研究湿并合在高红移早期大质量最亮团星系（BCG）形成中的作用。
• 表征 z=1.7 处一个罕见、光学富集星系团中中心星系的恒星形成活动与结构形态。
• 确定在早期宇宙时期，冷却流还是星系相互作用主导了星系团核心极端恒星爆发的燃料供给。
• 评估恒星形成与活动星系核（AGN）活动对星系团中心星系超亮红外辐射的贡献。
• 评估动力学与结构证据，以判断近期富含气体的相互作用是否触发了恒星爆发。

提出的方法

• 利用凯克-MOSFIRE 进行光谱确认，获得红移 z=1.7089，并识别出 27 个成员星系。
• 基于斯皮兹勒/IRAC 的 3.6 µm 成像估算光度富集度，得出在 500 kpc 内 N_gal = 30 ± 8。
• 通过速度 dispersion（430+80/-100 km/s）和标准标定关系估算质量，得出在 500 kpc 内 M ≈ 3.8 ± 1.2 × 10^14 M☉。
• 结合 HST/WFC3 近红外成像、SCUBA2 亚毫米波、Spitzer/MIPS/IRAC、Herschel/SPIRE 和 CFHT/UKIRT 数据进行多波段分析，以研究 SED 和形态。
• 利用 Spitzer-IRS 进行红外光谱分析，检测多环芳烃（PAH）特征，确认恒星形成主导，AGN 贡献率约为 20%。
• 对中心区域进行形态分解，以识别“串珠状”结构及其与中红外/远红外发射的空间相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 z=1.7 星系团的中心星系中观测到的极端恒星形成速率（~860 M☉/yr）的起源是什么？
• RQ2 BCG 中的恒星形成是由冷却流还是由富含气体的星系近期湿并合所驱动？
• RQ3 该星系团的动力学质量与结构富集度如何？与其它 z>1.5 星系团相比有何差异？
• RQ4 超亮红外辐射（L_IR = 6.2 ± 0.9 × 10^12 L☉）在多大程度上由恒星形成而非 AGN 活动驱动？
• RQ5 观测到的中心区域“串珠状”团块如何与恒星形成和并合历史相关联？

主要发现

• 在 z=1.7089 处的星系团已通过光谱确认，拥有 27 个成员星系，证实其富集度与高红移特性。
• 在 500 kpc 内，星系团质量估计为 3.8 ± 1.2 × 10^14 M☉，与其他 z>1.5 的大质量星系团一致。
• 最亮团星系（BCG）包含一个超亮红外源，L_IR = 6.2 ± 0.9 × 10^12 L☉，表明存在极端恒星形成活动。
• Spitzer-IRS 光谱检测到 z=1.7 处的 PAH 特征，确认远红外光度主要由恒星形成主导，校正后的 SFR 约为 ~860 ± 130 M☉/yr。
• HST/WFC3 成像揭示了一条长达 66 kpc 的、呈团块状的结构，外观类似“串珠”，其空间位置与中红外/远红外发射重合，表明恒星形成由相互作用持续或近期触发。
• 该结构与 BCG 的形态及接近程度强烈表明，恒星形成是由富含气体的相互作用触发，可能涉及 BCG 本身，标志着高红移早期 BCG 质量增长的一种潜在新途径。