[论文解读] The WISSH quasars project

M. Bischetti, E. Piconcelli+12 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2018

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 77被引用 1

一句话总结

本研究基于ALMA高分辨率观测，对红移z ≈ 4.4的超亮类星体J1015+0020进行了研究，揭示了其附近存在异常密集的[CII]发射星系群。数据表明，类星体宿主星系及其伴星的总恒星形成率为~800 M⊙/yr，总恒星质量超过10¹¹ M⊙，表明大质量星系的形成主要发生在卫星星系中，而非类星体本身，且其Mdyn/MBH比值极低（~7），挑战了标准的尺度关系。

ABSTRACT

We present an ALMA high-resolution observation of the 840 um continuum and [CII] line emission in the WISE-SDSS selected hyper-luminous (WISSH) QSO J1015+0020 at z~4.4. Our analysis reveals an exceptional overdensity of [CII]-emitting companions with a very small (<150 km/s) velocity shift with respect to the QSO redshift. We report the discovery of the closest companion observed so far in submillimetre observations of high-z QSOs. It is only 2.2 kpc distant and merging with J1015+0020, while two other [CII] emitters are found at 8 and 17 kpc. Two strong continuum emitters are also detected at <3.5 arcsec. They are likely associated to the same overdense structure of J1015+0020, as they exceed by a factor of 100 the number of expected sources, considering the Log(N)-Log(S) at 850 um. The host galaxy of J1015+0020 shows a SFR of about 100 Msun/yr while the total SFR of the QSO and its companion galaxies is a factor of 10 higher, indicating that substantial stellar mass assembly at early epochs may have taken place in the QSO satellites. For J1015+0020 we compute a SMBH mass MBH~6E9 Msun and a dynamical mass Mdyn~4E10 Msun . This translates into an extreme ratio Mdyn/MBH~7. The total stellar mass of the QSO host galaxy plus the [CII] emitters already exceeds 1E11 Msun at z~4.4. These sources will likely merge and develop into a giant galaxy of 1.3E12 Msun. Under the assumption of constant mass or Eddington accretion rate equal to the observed values, we find that the growth timescale of the host galaxy is comparable or even shorter than that inferred for the SMBH.

研究动机与目标

• 利用高红移类星体研究早期宇宙中超大质量黑洞与其宿主星系的共同演化。
• 理解星系相互作用与并合在z ≈ 4.4时触发恒星形成与黑洞吸积的作用。
• 检验本地M_BH–M_dyn尺度关系在极端高红移环境下的适用性。
• 确定超亮类星体宿主星系是否已形成与本地巨型椭圆星系相当的庞大恒星系统。

提出的方法

• 在840 µm连续谱和[CII] λ157.74 µm谱线发射处进行空间分辨率为0.18′′ × 0.21′′的高分辨率ALMA观测。
• 通过[CII]谱线轮廓分析测量红移、速度 dispersion 和动力学质量。
• 对连续谱源进行测光与流量密度测量，以估算恒星形成率并识别潜在伴星。
• 将观测到的源密度与850 µm处预期的Log(N)−Log(S)分布进行比较，评估过密度的显著性。
• 利用CIV发射线轮廓和[CII]运动学获得的动力学质量估算黑洞质量。
• 假设恒定吸积率或爱丁顿比率，对吸积与生长 timescales 进行建模，以比较超大质量黑洞与宿主星系的生长。

实验结果

研究问题

• RQ1 在z ≈ 4.4时，超亮类星体J1015+0020周围[CII]发射星系的空间分布与运动学特征如何？
• RQ2 类星体及其伴星的总恒星形成率与类星体宿主星系单独的恒星形成率相比如何？
• RQ3 类星体宿主星系的动力学质量是多少？其M_dyn/MBH比值与本地尺度关系相比如何？
• RQ4 在z ≈ 4.4时，伴星星系对系统总恒星质量积累的贡献程度如何？
• RQ5 在观测到的吸积率下，超大质量黑洞与宿主星系的生长 timescale 是否相近？

主要发现

• 在距离J1015+0020仅2.2 kpc处探测到一颗伴星星系，其径向速度偏移小于150 km s⁻¹，表明为并合系统。
• 在类星体17 kpc范围内发现三颗[CII]发射星系，其中最近的一颗位于2.2 kpc处，并与类星体宿主星系并合。
• 类星体及其伴星的总恒星形成率为~800 M⊙/yr，其中约700 M⊙/yr来自两个连续谱源（Cont1和Cont2），约100 M⊙/yr来自[CII]发射体。
• 类星体宿主星系的动力学质量约为4 × 10¹⁰ M⊙，黑洞质量约为6 × 10⁹ M⊙，M_dyn/MBH比值约为7，比典型本地值低两个数量级。
• 在z ≈ 4.4时，类星体及其[CII]发射伴星的总恒星质量超过10¹¹ M⊙，表明该系统将演化为质量约1.3 × 10¹² M⊙的巨型星系。
• 假设恒定吸积率或爱丁顿比率，宿主星系的生长 timescale 与超大质量黑洞相当或更短，表明宿主星系可能比黑洞更快地积累了其质量。