[论文解读] Into the central 10 pc of the most distant known radio quasar. VLBI imaging observations of J1429+5447 at z=6.21

S. Frey, Z. Paragi+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 23被引用 17

一句话总结

本研究首次对目前已知最遥远的射电类星体J1429+5447（z=6.21）进行了VLBI成像，揭示了在小于100 pc尺度上的紧凑、陡谱射电结构。较低的亮度温度（≈10⁹ K）和陡谱（α = −1.0）表明不存在显著的相对论性束流效应，暗示这些源为年轻、紧凑对称源，而非多普勒增强的喷流。

ABSTRACT

Context: There are about 60 quasars known at redshifts z>5.7 to date. Only three of them are detected in the radio above 1 mJy flux density at 1.4 GHz frequency. Among them, J1429+5447 (z=6.21) is the highest-redshift radio quasar known at present. These rare, distant, and powerful objects provide important insight into the activity of the supermassive black holes in the Universe at early cosmological epochs, and on the physical conditions in their environment. Aims: We studied the compact radio structure of J1429+5447 on the milli-arcsecond (mas) angular scale, in order to compare the structural and spectral properties with those of other two z~6 radio-loud quasars, J0836+0054 (z=5.77) and J1427+3312 (z=6.12). Methods: We performed Very Long Baseline Interferometry (VLBI) imaging observations of J1429+5447 with the European VLBI Network (EVN) at 1.6 GHz on 2010 June 8, and at 5 GHz on 2010 May 27. Results: Based on its observed radio properties, the compact but somewhat resolved structure on linear scales of <100 pc, and the steep spectrum, the quasar J1429+5447 is remarkably similar to J0836+0054 and J1427+3312. To answer the question whether the compact steep-spectrum radio emission is a "universal" feature of the most distant radio quasars, it is essential to study more, yet to be discovered radio-loud active galactic nuclei at z>6.

研究动机与目标

• 利用高分辨率VLBI成像研究红移z=6.21的类星体J1429+5447的紧凑射电结构。
• 将此最高红移射电类星体的结构与光谱特性与另外两个z≈6的射电噪类星体（J0836+0054和J1427+3312）进行比较。
• 确定紧凑陡谱射电辐射是否为最遥远射电类星体的普遍特征。
• 评估相对论性束流在塑造高红移类星体观测射电形态中的作用。
• 约束早期宇宙活动星系核中喷流与中心引擎的物理条件及演化状态。

提出的方法

• 使用欧洲VLBI网（EVN）在1.6 GHz和5 GHz频率进行甚长基线干涉测量（VLBI）观测。
• 利用Difmap软件通过圆形高斯组件对可见度数据进行建模，以获得流量密度、位置、大小和亮度温度。
• 根据1.6 GHz和5 GHz处的流量密度，利用幂律定义S ∝ ν^α计算谱指数α。
• 假设为圆形高斯模型，基于拟合的组件大小和流量密度估算亮度温度T_B。
• 使用等能量亮度温度T_B,equilibrium ≈ 5×10¹⁰ K，计算多普勒因子δ = T_B / T_B,equilibrium ≈ 0.02。
• 采用平坦ΛCDM模型进行宇宙学距离与尺寸缩放，参数为H₀=70 km s⁻¹ Mpc⁻¹，Ω_m=0.3，Ω_Λ=0.7。

实验结果

研究问题

• RQ1 最遥远已知射电类星体J1429+5447（z=6.21）在毫角秒尺度上的射电结构如何？
• RQ2 J1429+5447的光谱与结构特性与另外两个z≈6射电噪类星体（J0836+0054和J1427+3312）相比有何异同？
• RQ3 高红移类星体中紧凑陡谱射电辐射是否指示相对论性束流效应或源的年轻性？
• RQ4 射电喷流核心的推断亮度温度是多少？这对喷流方向与洛伦兹因子有何含义？
• RQ5 紧凑陡谱射电辐射是否为最遥远射电噪活动星系核的普遍特征，暗示其存在普遍演化阶段？

主要发现

• 类星体J1429+5447表现出在小于100 pc尺度上的紧凑但略有解析的射电结构，其在静止系中的总尺度小于100 pc。
• 在1.6 GHz与5 GHz之间测得的两幂次谱指数为α = −1.0 ± 0.05，表明具有陡谱，与紧凑陡谱（CSS）源一致。
• 紧凑组分的亮度温度约为1.3 × 10⁹ K，显著低于等能量值（≈5 × 10¹⁰ K），表明不存在强烈的相对论性束流效应。
• 推导出的多普勒因子δ ≈ 0.02意味着最小洛伦兹因子Γ ≳ 50，与喷流面朝观测几何不一致，表明视线角较大。
• 射电形态与光谱特性与另外两个z≈6射电类星体J0836+0054和J1427+3312极为相似，暗示其处于相同的演化状态。
• 在所有三个研究的z≈6类星体中均未发现多普勒增强辐射，表明紧凑陡谱射电辐射可能是高红移年轻、紧凑对称源的普遍特征。