[论文解读] The formation of cluster elliptical galaxies as revealed by extensive star formation

J. A. Stevens, R. J. Ivison+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2003

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 25被引用 4

一句话总结

本研究揭示，星系团椭圆星系通过高红移射电星系（HzRGs）及其致密环境中的同步、大规模恒星形成而形成。利用詹姆斯克拉克马克斯韦尔望远镜（JCMT）上的SCUBA进行深亚毫米波测绘，作者检测到与HzRG射电喷流对齐的延伸尘埃发射和明亮的亚毫米波伴星，表明在z ≈ 3–4的原星系团结构中，大质量星系以共时方式形成，恒星形成峰值出现在30–250 kpc的分离距离上。

ABSTRACT

The most massive galaxies in the present-day Universe are found to lie in the centres of rich clusters. They have old, coeval stellar populations suggesting that the bulk of their stars must have formed at early epochs in spectacular starbursts - luminous phenomena at submillimetre wavelengths. The most popular model of galaxy formation predicts that these galaxies form in proto-clusters at high-density peaks in the early Universe. Such peaks are signposted by massive high-redshift radio galaxies. Here we report deep submillimetre mapping of seven high-redshift radio galaxies and their environments. These data confirm not only the presence of spatially extended massive star-formation activity in the radio galaxies themselves, but also in companion objects previously undetected at any wavelength. The prevalence, orientation, and inferred masses of these submillimetre companion galaxies suggest that we are witnessing the synchronous formation of the most luminous elliptical galaxies found today at the centres of rich galaxy clusters.

研究动机与目标

• 研究高红移射电星系（HzRGs）中恒星形成的空间范围及其环境背景，这些星系被认为是大质量星系团椭圆星系的前身。
• 确定HzRGs及其周围区域的恒星形成是否在空间上呈扩展分布且共时发生，以验证分层星系形成模型的预测。
• 检验HzRG射电喷流与亚毫米波发射或伴星之间的对齐是否具有统计显著性，并表明其在大尺度结构中存在物理关联。
• 通过源密度和对齐统计分析，评估所观测到的亚毫米波伴星是否与HzRGs存在物理关联，而非随机背景源。

提出的方法

• 使用詹姆斯克拉克马克斯韦尔望远镜（JCMT）上的亚毫米波通用用户测光阵列（SCUBA）对七例高红移射电星系（z = 2.2–4.3）进行深度850 µm亚毫米波成像。
• 通过二维高斯拟合反卷积光斑响应，量化尘埃发射的空间范围，光斑半高全宽（FWHM）≈ 14.4′′。
• 使用柯尔莫哥洛夫-斯米尔诺夫检验进行统计分析，评估射电喷流位置角与亚毫米波源位置之间对齐的显著性。
• 将观测到的亚毫米波源计数与空白场巡天进行比较，评估HzRG场中源密度的超额情况。
• 利用N体ΛCDM模拟，对HzRG周围暗物质晕的分布进行建模，估算在3-弧分视场内预期的大量晕和伴星数量。
• 使用类星体BR 1202–0725作为校准源，验证所观测到的延伸形态并非仪器伪影。

实验结果

研究问题

• RQ1 高红移射电星系的亚毫米波发射是否在其射电结构之外呈现空间扩展？其物理尺度如何？
• RQ2 在HzRG附近探测到的明亮亚毫米波源是否与之存在物理关联，还是仅为随机背景源？
• RQ3 HzRG的射电喷流是否与亚毫米波发射及最亮亚毫米波伴星的位置对齐？这种对齐是否具有统计显著性？
• RQ4 观测到的对齐现象和高伴星源密度是否可由早期宇宙中大质量、高密度峰值的选取效应来解释？
• RQ5 观测到的HzRG及其伴星的恒星形成速率和空间范围是否支持在<1 Gyr内形成大质量椭圆星系？

主要发现

• 中心HzRG的尘埃发射在空间上呈扩展分布，其半光半径在30至150 kpc之间，与本地最亮星系团星系的大小相当。
• 在七例HzRG中的五例中，亚毫米波发射被解析，其范围达50至250 kpc，表明存在大质量、扩展的恒星形成区域。
• 该巡天探测到10个亚毫米波伴星，其S850 > 5–6 mJy，显著超过空白场中约每场1个的预期源密度。
• 在七例HzRG中的四例中，射电喷流位置角与最亮亚毫米波伴星方向之间存在显著对齐（p < 0.05），表明存在物理关联。
• 射电喷流与亚毫米波发射之间的对齐也具有显著性（p = 0.04），表明喷流可能追踪原星系团环境中最致密气体区域。
• 模拟结果证实，HzRG周围3-弧分视场内观测到的大质量晕（M > 10^12 M☉）数量与ΛCDM模型一致，支持HzRG位于致密原星系团中的观点。