[论文解读] The nature of sub-millimetre galaxies II: an ALMA comparison of SMG dust heating mechanisms

Behzad Ansarinejad, T. Shanks+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 74被引用 2

一句话总结

本研究利用ALMA 0.1"分辨率的观测，比较亚毫米波星系（SMGs）与类星体的尘埃加热机制，发现SMGs表现出紧凑的亚毫米波尺寸（~1–2 kpc），与类星体相似的恒星形成率表面密度，以及难以与遮蔽类星体区分的中红外光度。结果表明，明亮SMGs很可能是由尘埃遮蔽的活动星系核（AGN）驱动的，这些AGN可能同时主导了硬X射线背景与远红外背景。

ABSTRACT

We compare the contribution of Active Galactic Nuclei (AGN) and star-formation towards dust heating in sub-mm galaxies (SMGs). We have used ALMA at $0."1$ resolution to image a complete flux-limited sample of seven sub-mm sources previously shown to have spectral energy distributions (SEDs) that were as well-fitted by obscured AGN as star-forming galaxy templates. Indeed, two sub-mm sources were known to be quasars from their absorbed X-ray emission. We find the sub-mm sizes of all SMGs to be small ($\approx1-2$kpc) and generally $\sim3$ times smaller than any host detected in the Near-Infra-Red (NIR). In all cases, the five SMGs are comparable in sub-mm size to the two known quasars and four $z\approx6$ quasars, also observed with ALMA. We detect no evidence of diffuse spiral arms in this complete sample. We then convert the Far-Infra-Red (FIR) luminosities to star-formation rate (SFR) surface densities and find that the SMGs occupy the same range as the known quasars in our sample. We conclude that in terms of sub-mm size, extent relative to host and SFR density as well as luminosity and Mid-IR (MIR) colour, there is little distinction between the SMGs and sub-mm bright quasars. Finally, we present preliminary evidence that SMGs with higher MIR luminosities and sub-mm loud quasars tend to have dust components that range to hotter temperatures than their less luminous SMG counterparts. In light of these results, we continue to suggest that luminous SMGs may host dust-absorbed quasars that may simultaneously dominate the FIR and hard X-ray backgrounds.

研究动机与目标

• 确定活动星系核（AGN）或恒星形成在亚毫米波星系（SMGs）中是否主导尘埃加热机制。
• 比较SMGs与类星体在亚毫米波与近红外（NIR）波段的物理尺寸与形态特征。
• 评估中红外光度较高的SMGs是否具有更热的尘埃成分，从而表明AGN主导。
• 评估SMGs与类星体之间SED的观测相似性是否支持最亮SMGs由AGN驱动的假设。
• 检验紧凑亚毫米波尺寸是否为AGN加热水晶SMGs的特有预测，而非与原位恒星形成一致。

提出的方法

• 获取了WHDF场中七个通量限幅的SMGs和两个已知X射线吸收类星体的高分辨率（0.1"）ALMA连续谱成像。
• 将870 µm波段的亚毫米波尺寸与光学/近红外（K波段）宿主星系尺寸进行比较，以评估相对扩展程度。
• 利用标准校准将远红外光度转换为恒星形成率（SFR）表面密度。
• 分析中红外（4.5 µm）与亚毫米波（870 µm）的流量密度比值（S24µm/S8µm 和 S100µm/S24µm），以探测尘埃温度与AGN贡献。
• 采用多波段SED拟合，并与已知类星体及ALESS SMGs进行统计比较，以评估形态与光度相似性。
• 评估ALMA图像中螺旋臂特征的显著性，以区分核区（AGN）加热与扩展（恒星形成）加热。

实验结果

研究问题

• RQ1 当以高分辨率成像时，SED能被AGN与恒星形成模板同时良好拟合的亚毫米波星系（SMGs）是否在形态或物理特性上表现出差异？
• RQ2 SMGs的亚毫米波尺寸是否与已知遮蔽类星体一致，是否与其近红外宿主星系尺寸不同？
• RQ3 是否存在中红外光度与亚毫米波流量密度比值之间的相关性，从而表明更明亮SMGs中存在更热的尘埃成分？
• RQ4 具有高MIR光度与亚毫米波“明亮”特性的SMGs是否表现出更热尘埃的证据，提示AGN主导？
• RQ5 SMG亚毫米波发射的观测紧凑性是否足以排除原位恒星形成作为主要加热机制？

主要发现

• 样本中所有SMGs的亚毫米波尺寸均紧凑，约为1–2 kpc，与两个已知X射线吸收类星体或四个z > 6类星体无显著差异。
• SMGs的亚毫米波尺寸始终比其近红外宿主星系尺寸小约3倍，且未在未识别SMGs与类星体之间发现区别。
• SMGs与类星体具有相近的远红外光度与SFR表面密度，两者的分布范围一致，且大多低于爱丁顿极限。
• 在WHDF SMGs中未发现低表面亮度螺旋臂的证据，与ALESS样本形成对比，提示可能存在形态学差异，可能与更高的亚毫米波光度或信噪比有关。
• 初步证据显示，中红外光度越高，S100µm/S24µm与S24µm/S8µm流量比值越低，表明更明亮SMGs与亚毫米波“明亮”类星体中存在更热的尘埃成分。
• 观测到的尺寸、SFR密度、中红外光度与尘埃温度分布的相似性，强烈支持明亮SMGs由尘埃遮蔽AGN驱动的假设，这可能同时解释硬X射线背景与FIR宇宙背景。