[论文解读] The X-ray luminous galaxy cluster XMMU J1007.4+1237 at z=1.56 - The dawn of starburst activity in cluster cores

R. Fassbender, A. Nastasi+13 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 41被引用 46

一句话总结

本研究通过XMM-Newton的偶然探测识别出XMMU J1007.4+1237，这是一个位于红移z = 1.555的高X射线亮度星系团，经由甚大望远镜/VLT-FOR2深度光谱观测确认。该星系团是‘红移沙漠’（z > 1.5）中已确认质量最大的星系团，其总X射线光度为2.1 × 10⁴⁴ erg s⁻¹，估计质量约为2 × 10¹⁴ M☉，其中心最亮星系（BCG）正经历强烈的恒星爆发活动，表明其处于星系团核心演化的早期阶段。

ABSTRACT

Observational galaxy cluster studies at z>1.5 probe the formation of the first massive M>10^14 Msun dark matter halos, the early thermal history of the hot ICM, and the emergence of the red-sequence population of quenched early-type galaxies. We present first results for the newly discovered X-ray luminous galaxy cluster XMMU J1007.4+1237 at z=1.555, detected and confirmed by the XMM-Newton Distant Cluster Project (XDCP) survey. We selected the system as a serendipitous weak extended X-ray source in XMM-Newton archival data and followed it up with two-band near-infrared imaging and deep optical spectroscopy. We can establish XMMU J1007.4+1237 as a spectroscopically confirmed, massive, bona fide galaxy cluster with a bolometric X-ray luminosity of Lx=(2.1+-0.4) imes 10^44 erg/s, a red galaxy population centered on the X-ray emission, and a central radio-loud brightest cluster galaxy. However, we see evidence for the first time that the massive end of the galaxy population and the cluster red-sequence are not yet fully in place. In particular, we find ongoing starburst activity for the third ranked galaxy close to the center and another slightly fainter object. At a lookback time of 9.4Gyr, the cluster galaxy population appears to be caught in an important evolutionary phase, prior to full star-formation quenching and mass assembly in the core region. X-ray selection techniques are an efficient means of identifying and probing the most distant clusters without any prior assumptions about their galaxy content.

研究动机与目标

• 在‘红移沙漠’（z > 1.5）中识别并表征一个罕见的、大质量星系团，该区域星系团形成过程的观测数据极为稀少。
• 利用XMM-Newton和地面光学数据，确定XMMU J1007.4+1237的动力学质量和X射线特性。
• 研究星系团红序列的演化状态，以及其最亮星系（BCG）和中心成员的恒星形成活动。
• 评估恒星爆发活动在大质量星系团星系早期形成过程中的作用。

提出的方法

• 从XMM-Newton远距离星系团项目（XDCP）中盲选X射线源，识别出与星系团一致的扩展X射线发射。
• 利用甚大望远镜/VLT-FOR2进行多波段后续观测，确认中心星系的红移，并检测指示恒星形成的发射线（如[O II]）。
• 通过0.5–2 keV X射线通量估算总X射线光度（L_X,bol），并校正银河系吸收（N_H = 3.59 × 10²⁰ cm⁻²）。
• 利用X射线光度与温度的标定关系估算质量，得到M₂₀₀ ≈ 2 × 10¹⁴ M☉。
• 测量1440 MHz波段的射电流量（P₁₄₄₀ ≈ 3 × 10²⁵ W Hz⁻¹），以探测BCG中活动星系核或恒星爆发活动。
• 分析星系成员在rest-frame H波段的星等和(z−H)颜色，评估红序列及演化状态。

实验结果

研究问题

• RQ1 XMMU J1007.4+1237是否为一个真实存在的、位于z ≈ 1.56的高红移大质量星系团？其X射线光度和动力学质量分别为多少？
• RQ2 该高红移星系团中，最亮星系（BCG）及其他中心成员的恒星形成速率和演化状态如何？
• RQ3 在z = 1.56时，星系团红序列是否已完全建立？还是由于持续的恒星爆发活动而仍处于演化过程中？
• RQ4 与BCG相关的强1.4 GHz射电发射的起源是什么？
• RQ5 该星系团中红序星系的光度函数与低红移系统相比如何，特别是在特征星等H*附近？

主要发现

• XMMU J1007.4+1237是一个真实存在的星系团，红移为z = 1.555 ± 0.003，总X射线光度为(2.1 ± 0.4) × 10⁴⁴ erg s⁻¹，是目前z > 1.5红移范围内已知X射线最明亮的星系团。
• 该星系团在R₂₀₀内的质量估计约为2 × 10¹⁴ M☉，是‘红移沙漠’（z > 1.5）中已确认质量最大的星系团之一。
• 最亮星系（ID 1）具有约11 M☉ yr⁻¹的高恒星形成速率，位于X射线峰值和质心位置，其rest-frame (z−H)颜色为3.2 mag。
• 第三位的星系成员（ID 3）表现出强烈的[O II]发射线，恒星形成速率为75 M☉ yr⁻¹，表明在回溯94亿年的时间点仍存在强烈的恒星爆发活动。
• 星系团红序列尚未完全形成；在特征星等H*附近的星等范围内，红序星系数量不足，表明其仍在演化中。
• BCG具有强烈的1.4 GHz射电发射（P₁₄₄₀ ≈ 3 × 10²⁵ W Hz⁻¹），其能量可能主要由恒星形成驱动，恒星形成红移估计为z_f ≈ 5，尽管其H波段星等比典型低红移BCG暗超过一个星等。