[论文解读] Simultaneous Measurements of Star Formation and Supermassive Black Hole Growth in Galaxies

Alexandra Pope, L. Armus+30 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2019

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 5

一句话总结

本文提出一种双波长方法，利用对热红外和射电设施的敏感探测，同时测量宇宙时空中星系中的恒星形成与超大质量黑洞吸积。通过利用FIR-射电相关性以及红移后的中远红外诊断线，该方法可实现从z=0到z>8的无偏、统计完整的样本，最大限度减少尘埃遮蔽影响，解析恒星与黑洞的共同演化。

ABSTRACT

Galaxies grow their supermassive black holes in concert with their stars, although the relationship between these major galactic components is poorly understood. Observations of the cosmic growth of stars and black holes in galaxies suffer from disjoint samples and the strong effects of dust attenuation. The thermal infrared holds incredible potential for simultaneously measuring both the star formation and black hole accretion rates in large samples of galaxies covering a wide range of physical conditions. Spitzer demonstrated this potential at low redshift, and by observing some of the most luminous galaxies at z~2. JWST will apply these methods to normal galaxies at these epochs, but will not be able to generate large spectroscopic samples or access the thermal infrared at high-redshift. An order of magnitude gap in our wavelength coverage will persist between JWST and ALMA. A large, cold infrared telescope can fill this gap to determine when (in cosmic time), and where (within the cosmic web), stars and black holes co-evolve, by measuring these processes simultaneously in statistically complete and unbiased samples of galaxies to z>8. A next-generation radio interferometer will have the resolution and sensitivity to measure star-formation and nuclear accretion in even the dustiest galaxies. Together, the thermal infrared and radio can uniquely determine how stars and supermassive blackholes co-evolve in galaxies over cosmic time.

研究动机与目标

• 解决在宇宙时空中对同一星系中恒星形成率与黑洞吸积率缺乏同时、无偏测量的问题。
• 克服紫外、X射线及单镜面FIR巡天中因尘埃消光和采样不全导致的观测偏差。
• 通过在z=0至z>8范围内对同一星系同时测量SFR与BHAR，建立自洽的星系演化理论。
• 在不同环境与宇宙时空中表征恒星与超大质量黑洞的共同演化。
• 弥合詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）与阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）之间10倍波长的差距，以探测关键的红移后红外诊断线。

提出的方法

• 利用FIR-射电相关性，通过源处在静止帧>30 GHz的自由-自由射电发射追踪无尘埃遮蔽的恒星形成。
• 应用中远红外光谱学，检测关键诊断线（如[O IV]、[Ne II]、[Ne V]）并将其红移至可观测波段。
• 利用高分辨率干涉射电成像技术，解析核区与盘状结构的发射，分离活动星系核（AGN）与恒星形成贡献。
• 结合未来低温远红外空间望远镜（如“起源空间望远镜”）与下一代地面射电干涉仪（如ngVLA）的数据。
• 通过高灵敏度的大面积巡天，构建在红移与环境上均统计完整、无偏的星系样本。
• 应用光谱诊断与亮度温度分析，区分高分辨率射电图像中AGN与恒星形成贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 恒星形成与超大质量黑洞吸积在宇宙时空中如何共同演化？
• RQ2 在何种红移及宇宙网的哪些区域中，恒星与黑洞会协同生长？
• RQ3 在z > 8时，恒星与黑洞的相对增长速率如何？尘埃遮蔽如何影响其测量速率？
• RQ4 单个星系中SFR与BHAR如何共同演化？其耦合由何种机制驱动？
• RQ5 活动星系核与恒星形成在物理上有多紧密关联？在高红移星系中如何实现有效分离？

主要发现

• FIR-射电相关性使在高红移下实现无尘埃遮蔽的恒星形成率测量成为可能，尤其通过静止帧>30 GHz频段的自由-自由发射。
• 由于逆康普顿损耗随(1+z)^4缩放，非热射电发射在高红移下被抑制，使自由-自由发射在静止帧>30 GHz频段占主导。
• 未来灵敏度较以往任务提升1000倍的远红外空间望远镜，可对数十平方度区域进行光谱映射，构建大规模无偏星系样本。
• ngVLA将提供足够的角分辨率与灵敏度，以解析并分离高红移星系中核区与盘状结构的发射。
• 当前巡天在z > 3时存在显著不完整性，原因在于紫外、X射线及单镜面FIR数据中的尘埃遮蔽与选择偏差。
• 在相同星系中同时测量SFR与BHAR，对厘清共同演化时间线至关重要，可避免因样本差异导致的误导性结论。