[论文解读] Probing high-redshift quasars with ALMA. I. Expected observables and potential number of sources

D. R. G. Schleicher, M. Spaans+1 more|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|Jan 13, 2010

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 65被引用 29

一句话总结

本文利用ALMA对高红移类星体的亚毫米线发射进行建模，表明其宿主星系中的X射线主导区（XDR）会产生明显的CO、[CII]和[OI]线特征。研究预测，高阶CO跃迁（最高至J=17-16）和精细结构线可区分XDR与光致分解区（PDR），在z≈6时预计每平方角秒约有1个源，从而实现对早期星系演化及中心引擎反馈的详细探测。

ABSTRACT

(abridged) We explore how ALMA observations can probe high-redshift galaxies in unprecedented detail. We discuss the main observables that are excited by the large-scale starburst, and formulate expectations for the chemistry and the fluxes in the center of active galaxies, where chemistry may be driven by the absorption of X-ray photons. We show that such X-ray dominated regions (XDRs) should be large enough to be resolved with ALMA, and predict the expected amount of emission in CO and various fine-structure lines. We discuss how such XDRs can be distinguished from a strong starburst on the same spatial scales based on the CO line SED. Our models are compared to known sources like NGC 1068 and APM 08279. We also analyze the properties of the z=6.42 quasar SDSS J114816.64+525150.3, and find that the observed emission in CO, [CII] and [CI] requires a dense warm and a low-density cold gas component. We estimate the expected number of sources at redshifts higher than 6, finding that one could expect one black hole with $10^6$ solar masses per arcmin$^2$.

研究动机与目标

• 利用ALMA预测高红移类星体的可观测亚毫米线发射，重点研究其宿主星系中X射线主导区（XDR）的特征。
• 模拟在活动星系核附近高密度、高温云团中，X射线辐照下的分子气体化学与激发过程。
• 基于黑洞吸积历史与源密度，估算ALMA深场巡天中可探测到的高红移类星体数量。
• 提供区分XDR与PDR的诊断工具，利用高阶CO线与精细结构线（如[CII]和[OI]）。
• 将观测到的z=6.42类星体解释为多组分系统，结合致密的恒星形成气体与低密度的宁静气体组分。

提出的方法

• 将邻近赛克特2型星系NGC 1068在z=8的观测结果改编，模拟ALMA波段响应，评估哪些发射线可被探测到。
• 采用半解析模型估算中心X射线主导区（XDR）的大小，发现其尺度约为数百秒差距。
• 应用一维详细化学模型模拟X射线辐照下的分子云，结合已有XDR计算结果，预测线辐射通量随X射线光度、云密度与柱密度的变化。
• 将模型预测与NGC 1068及APM 08279+5255中的观测线通量进行比较，验证XDR模型的可靠性。
• 利用高红移黑洞种群的理论模型与本地超大质量黑洞密度，估算ALMA深场巡天中可观测源的数量。
• 评估高阶CO线（最高至J=17-16）与精细结构线（[CII]、[OI]）在区分XDR与PDR方面的诊断能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于宿主星系中X射线辐照，高红移类星体的亚毫米线发射预计呈现哪些特征？
• RQ2 在X射线主导区中，CO、[CII]与[OI]线的通量如何依赖于X射线光度、云密度与柱密度？
• RQ3 高阶CO跃迁（如J=17-16）能否作为区分高红移类星体中XDR与PDR的独特诊断工具？
• RQ4 在z≈6附近，ALMA深场巡天中预计可探测到的高红移类星体的源面密度是多少？
• RQ5 多组分线发射（如致密与低密度气体）如何解释z=6.42类星体中的观测通量？

主要发现

• 高红移类星体中心X射线主导区（XDR）的尺度估计为数百秒差距量级。
• 在高X射线通量下，CO线强度持续上升至(17-16)跃迁，提供区分XDR与PDR的独特诊断手段。
• 精细结构线[OI] 63 μm与[CII] 158 μm在高密度（>10^5 cm⁻³）下变得光学厚，主要对X射线通量敏感，而非柱密度。
• z=6.42类星体的观测通量无法用单一气体组分解释，表明存在致密、温暖的恒星形成组分与低密度、宁静的组分。
• 在z≈6附近的ALMA深场巡天中，预计每平方角秒可探测到约1个源。
• 高阶CO线与精细结构线的线比可联合约束X射线通量与云柱密度，实现对XDR条件的详细诊断。