[论文解读] First detections of the [NII] 122 {\mu}m line at z>0.04: Demonstrating the utility of the line for studying galaxies at high redshift

Carl Ferkinhoff, Drew Brisbin+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2011

Spectroscopy and Laser Applications被引用 1

一句话总结

本研究利用位于卡内基大学次毫米波望远镜（CSO）上的ZEUS仪器，首次在两个遥远星系——SMMJ02399-0136和Cloverleaf类星体——中探测到红移z > 0.04的[NeII] 122 μm谱线。这些谱线表现出强烈的线-连续成分比（2.1×10⁻³至7.0×10⁻⁴），显著高于本地星系中的值，表明电离气体质量分数较高（占分子气体质量的8–17%），且[OIII]/[NeII]线比表明电离源为O9.5型恒星或具有log(U) ≈ -3.3至-4.0的AGN NLR，复合模型对数据的拟合效果最佳。

ABSTRACT

We report the first detections of the [NII] 122 {\mu}m line from a high redshift galaxy. The line was strongly (> 6{\sigma}) detected from SMMJ02399-0136, and H1413+117 (the Cloverleaf QSO) using the Redshift(z) and Early Universe Spectrometer (ZEUS) on the CSO. The lines from both sources are quite bright with line-to-FIR continuum luminosity ratios that are ~7.0 imes10^{-4} (Cloverleaf) and 2.1 imes10^{-3} (SMMJ02399). With ratios 2-10 times larger than the average value for nearby galaxies, neither source exhibits the line-to-continuum deficits seen in nearby sources. The line strengths also indicate large ionized gas fractions, ~8 to 17% of the molecular gas mass. The [OIII]/[NII] line ratio is very sensitive to the effective temperature of ionizing stars and the ionization parameter for emission arising in the narrow-line region (NLR) of an AGN. Using our previous detection of the [OIII] 88 {\mu}m line, the [OIII]/[NII] line ratio for SMMJ02399-0136 indicates the dominant source of the line emission is either stellar HII regions ionized by O9.5 stars, or the NLR of the AGN with ionization parameter log(U) = -3.3 to -4.0. A composite system, where 30 to 50% of the FIR lines arise in the NLR also matches the data. The Cloverleaf is best modeled by a superposition of ~200 M82 like starbursts accounting for all of the FIR emission and 43% of the [NII] line. The remainder may come from the NLR. This work demonstrates the utility of the [NII] and [OIII] lines in constraining properties of the ionized medium.

研究动机与目标

• 在红移z > 0.04的高红移星系中探测[NeII] 122 μm谱线，该谱线此前在该红移范围内尚未被观测到。
• 评估[NeII] 122 μm谱线作为遥远星系中电离气体探测工具的适用性。
• 利用高红移系统中[OIII]/[NeII]谱线比，约束电离源（O9.5型恒星或AGN NLR）的性质。
• 确定高红移星暴星系和AGN主导星系中电离气体质量占分子气体质量的比例。

提出的方法

• 利用加州理工学院次毫米波望远镜（CSO）上的红移(z)与早期宇宙谱线仪（ZEUS）观测[NeII] 122 μm谱线。
• 测量谱线流量和FIR连续成分的光度，以计算线-连续成分光度比。
• 利用先前观测中获得的[OIII] 88 μm线比，约束窄线区（NLR）中的电离条件。
• 使用理论关系对电离参数（U）和电离恒星的有效温度进行电离结构建模。
• 将观测到的[OIII]/[NeII]线比与HII区和AGN NLR的理论预测进行比较，以识别主导电离源。
• 通过结合星暴与AGN贡献的复合模型拟合，解释观测到的FIR谱线发射。

实验结果

研究问题

• RQ1 高红移星系中[NeII] 122 μm谱线的强度如何？与本地基准相比有何差异？
• RQ2 基于[NeII]谱线光度，高红移星系中电离气体占分子气体质量的比例是多少？
• RQ3 这些星系中星际介质的电离主要由大质量O型恒星驱动，还是由AGN驱动？
• RQ4 高红移星系中的[OIII]/[NeII]线比与本地AGN和HII区相比如何？
• RQ5 星暴与AGN NLR的复合模型能否解释这些源中观测到的FIR谱线发射？

主要发现

• 在红移z > 0.04的SMMJ02399-0136和Cloverleaf类星体中，[NeII] 122 μm谱线被强检测到（>6σ），标志着首次此类探测。
• SMMJ02399-0136的线-连续成分光度比达到2.1×10⁻³，Cloverleaf的比值为7.0×10⁻⁴，显著高于本地星系的平均值。
• 估算出电离气体质量分数为分子气体质量的8–17%，表明高红移星系中存在大量电离气体储库。
• SMMJ02399-0136的[OIII]/[NeII]线比表明电离源为O9.5型恒星或具有log(U) = -3.3至-4.0的AGN NLR。
• Cloverleaf的发射最符合包含约200个M82型星暴和43%的[NeII]线来自NLR的复合模型，其余部分可能也来自NLR。
• 结果表明，[NeII] 122 μm谱线是高红移星系中电离气体含量和电离条件的可靠探针。