[论文解读] High-excitation CO in a quasar host galaxy at z=6.42

F. Bertoldi, P. Cox+9 more|ArXiv.org|Jul 23, 2003

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 26被引用 138

一句话总结

本研究利用IRAM Plateau de Bure干涉仪，在红移z=6.42的高红移类星体J1148+5251宿主星系中探测到高激发态CO(6→5)和CO(7→6)辐射，揭示分子气体质量约为~2×10¹⁰ M☉，气体密度高（~10⁵ cm⁻³）且温度高（~100 K），表明存在由巨大、致密气体储备持续供给的强烈、持续的恒星形成活动，该气体储备必须迅速补充，才能在不到1000万年内维持观测到的~3000 M☉ yr⁻¹的恒星形成速率。

ABSTRACT

We report the detection of high excitation CO emission from the most distant quasar currently known, SDSS J114816.64+525150.3 (hereafter J1148+5251), at a redshift z=6.419. The CO (J=6-5) and (J=7-6) lines were detected using the IRAM Plateau de Bure interferometer, showing a width of ~280 km/s. An upper flux limit for the CO (J=1-0) line was obtained from observations with the Effelsberg 100-meter telescope. Assuming no gravitational magnification, we estimate a molecular gas mass of ~2x10^10 M_sun. Using the CO (3-2) observations by Walter et al. (2003), a comparison of the line flux ratios with predictions from a large velocity gradient model suggests that the gas is likely of high excitation, at densities ~10^5 cm^-3 and a temperature ~100 K. Since in this case the CO lines appear to have moderate optical depths, the gas must be extended over a few kpc. The gas mass detected in J1148+5251 can fuel star formation at the rate implied by the far-infrared luminosity for less than 10 million years, a time comparable to the dynamical time of the region. The gas must therefore be replenished quickly, and metal and dust enrichment must occur fast. The strong dust emission and massive, dense gas reservoir at z~6.4 provide further evidence that vigorous star formation is co-eval with the rapid growth of massive black holes at these early epochs of the Universe.

研究动机与目标

• 调查目前已知最遥远类星体J1148+5251（z=6.42）宿主星系中分子气体的存在及其物理条件。
• 确定该高红移类星体宿主星系中分子气体的质量与激发态条件，以评估其在驱动类星体活动和维持恒星形成中的作用。
• 检验高红移类星体中观测到的远红外光度是否源于恒星形成而非活动星系核（AGN）加热。
• 利用CO线性比和空间分辨率约束分子气体储层的动力学与结构特性。

提出的方法

• 利用IRAM Plateau de Bure干涉仪在3.2 mm波长观测CO(6→5)和CO(7→6)转动跃迁， beam尺寸为5.7′′×4.1′′。
• 使用100米射电望远镜（Effelsberg）对CO(1→0)线设置通量上限，假设亮度温度恒定，以估算气体质量。
• 应用大速度梯度（LVG）模型解释观测到的CO线荧光通量比，推断气体密度、温度和光学厚度。
• 采用标准的CO-to-H₂转换因子，假设光学厚发射，估算气体质量为M_H₂ ≈ 2×10¹⁰ M☉。
• 基于观测亮度温度与本征亮度温度之比，假设均匀发射和中等光学厚度，推导出源的最小尺寸和半径。
• 假设气体呈盘状且具有开普勒旋转，通过线宽和源半径估算动力学质量，以评估所包含质量并与其与黑洞质量进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 z=6.42类星体J1148+5251宿主星系中的分子气体质量与激发态为何？
• RQ2 CO线荧光通量比是否与高激发态气体条件一致？其对气体密度与温度有何暗示？
• RQ3 在已探测到的气体储库条件下，观测到的远红外光度能否由恒星形成而非AGN加热解释？
• RQ4 观测到的~3000 M☉ yr⁻¹的恒星形成速率可由所探测到的气体质量持续多长时间？
• RQ5 动力学质量估算揭示了引力势能与中心黑洞在系统中作用的哪些信息？

主要发现

• CO(6→5)和CO(7→6)线在红移z=6.419处被探测到，线宽约280 km s⁻¹，表明存在一个动力学展宽的分子气体组分。
• 在不考虑引力透镜效应且假设CO(1→0)亮度温度恒定的前提下，估算分子气体质量约为2×10¹⁰ M☉。
• CO线荧光通量比表明气体处于高激发态，气体密度~10⁵ cm⁻³，温度~100 K，与致密、温暖的分子介质一致。
• 气体可能延伸至560–1400 pc的区域，光学厚度适中（τ < 4），暗示空间范围较大或CO丰度较低，但考虑到高金属丰度，后者可能性较低。
• 由远红外光度推算出的恒星形成速率（~3000 M☉ yr⁻¹）仅能维持不到1000万年，表明气体快速耗尽，需持续补充。
• CO区域内的动力学质量估算为(2–6)×10⁹ M☉ sin⁻²i，显著低于黑洞质量（~3×10⁹ M☉），表明气体未处于深引力势阱中，可能为中等倾角的盘状结构。