对于高红移类星体的CO(J=2->J=1)发射线的观测

标题:CO (2-1) Line Emission in Redshift 6 Quasar Host Galaxies
作者:Ran Wang, Jeff Wagg, Chris L. Carilli, Fabian Walter, Dominik. A. Riechers, Chris Willott, Frank Bertoldi, Alain Omont, Alexandre Beelen, Pierre Cox, MichaelA. Strauss, Jacqueline Bergeron, Thierry Forveille, Karl M. Menten, Xiaohui Fan
论文索引:http://arxiv.org/abs/1105.4199

编辑供稿:蔡峥(University of  Arizona)

 

背景介绍:

对于有尘埃的星系(大约一半的星系都有非常强的尘埃遮蔽),从年轻恒星发出来的紫外光子被尘埃吸收并重新发射在远红外波段(热平衡谱)。这样的星系可以在亚毫米波段被探测到。所以亚毫米波段对于研究被尘埃遮蔽的星系或类星体的恒星形成性质有重要作用。而CO转动能级间的跃迁,是亚毫米/毫米波段的发射线,可以用来发现目标和确定红移。

对孕育高红移类星体的高红移星系的亚毫米波观测可以探索宇宙早期超大质量黑洞(SMBH)的增长和星系演化的联系。在红移z~6的类星体中(4、50个),已发现30%的类星体有强的亚毫米-毫米(submillimeter/millimeter)尘埃连续谱,第一次从观测上支持在宇宙再电离结束时期,年轻的孕育超大质量黑洞的星系(QSO host galaxies)有非常活跃恒星形成。从远红外估计的恒星形成率大约和红移在2-3之间的亚毫米星系(submillimeter galaxies)相当。用空间分辨(spatially resolved)了的发射线对QSO J1148+5251进一步暗示在quasar host galaxy中心1.5kpc的地方有超过1000M_sun/yr/kpc^2的恒星形成密度。
由于仪器的灵敏度和覆盖的波段限制,对于z~6的quasar host galaxies中低阶CO(J<=2)的跃迁还限制得不太好。但一个在EVLA上新的Ka band接收器对于研究冷的分子气体开启了一个非常重要的窗口。这篇文章,作者报告用EVLA的新的接收器观测到了5个z~6的QSOs有CO(J=2-J=1)的跃迁。

观测及结果:

这个观测用EVLA望远镜WIDAR correlator,最大的波段宽度为128MHz, 分辨率是2MHz。对于本文观测的5个源,CO(2->1)这条线落在这个波段。每一个源的曝光时间大概是15-20小时。其中两个源J0927+2001和J1429+5447探测到了CO(2->1)发射线,还有一个源J0840+5624的CO(2->1)不很明显,可以被认为“几乎”被探测到。5个源观测的详细结果:

J0927+2001:从以前的观测,这个源有强的尘埃连续谱(850GHz, 250GHz, 85GHz)和CO(6->5, 5->4)发射线。这一次,又被探测到了CO(2->1)的发射线。线宽大概是590+/-130km/s,可以被2-D 高斯拟合。

 

J0927+2001的CO(2->1)发射线的图像和光谱

J1429+5447: 从以前的FIRST巡天和最近的VLBI观测(Frey  et al.2011)都支持这个源是最强的z~6 类星体射电源。在本次观测的波段,同样,CO(2->1)和连续谱同时被探测到。CO发射线可以被分解为两个峰,相距物理尺度6.9kpc,其中一个线宽280+/-70km/s, 另一个400+/-140km/s,这两个峰的流量差不多,虽然文章没有下结论,恐怕这两个峰更支持merging system。而不是同一个星系中两个活动比较强的区域。因为这两个component都与单个星系可比。

左图是J1429+5447的射电连续谱图像, 白十字是光学波段的QSO位置。中间是CO(2->1)的图像,可以看出来有两个部分。右图为两个部分的光谱

J0840+5624: 这个源以前被探测到了CO(6->5, 5->4),线宽在860km/s,在红移6的类星体中是最宽的。本次观测并没有探测到强的CO(2->1),但是也有2.8sigma的一个信号,可以算是几乎探测到。这个源也呈现出双峰。具体的结论需要更深的观测来搞清楚。

J0840+5624的CO(2->1)发射线的图像和光谱

J0210-0456: 这个源的红移是由以前的MgII 2798发射线确定的。这个源在本次观测并没有被探测到CO(2->1)发射线。但是,由于这个类星体的红移是MgII确定(z=6.44),所以不能排除由于MgII相对于CO的蓝移而实际上CO发射线并不落在本次观测所对应波段的这种可能性。但连续谱也没有在本次观测中观测到,说明这个源也不是射电非常亮的。
J1623+3112: 这个源被探测到有CII 158um精细结构的发射线,但是没有250GHz的连续谱。本次没有探测到有CO(2->1)的发射线。

 

对于观测结果的讨论:

通过EVLA望远镜,本文对5个红移~6的源进行了的CO(2->1)观测,探测到3个源有强的尘埃连续谱,科学上说明有大量尘埃,又有强的、恒星形成。这样的结果支持在年轻的类星体中,大量的恒星形成是有大量的分子气体所供给的。对于没有探测到CO(2->1)发射线和尘埃连续谱的J1623+3112这个类星体,CII暗示有恒星形成,但是强度可能小于EVLA的灵敏度,不过也为未来的观测要达到的精度提出了要求。从J0927+2001中CO(2->1)发射线几乎可以在~10kpc的尺度上被分辨。用CO(2-1)线的面亮度和全部流量去估计分子气体质量(这里的理论不太懂,原文第四节–编者注),和高阶CO线估计的还是一致的。对J1429+5447的CO(2-1)发射线观测显示有两个峰,相距~6.9kpc,类星体在西边的峰。这两个峰没有明显的速度差异。文章也把这种双峰归结为major merging system,这两个峰具有相当的分子气体质量和CO光度。这样的系统至少支持在很早期的孕育超大质量黑洞的星系中,AGN和星爆活动有一种情况是由major merger引发的。不远的未来还可以用ALMA的高分辨观测来限制分子气体面密度和分子气体动力学。

 

延伸阅读:

 

ALMA Science: http://www.almaobservatory.org/en/science-with-alma

本篇观测对应的EVLA WIDAR correlator: https://mitr.drao.nrc.ca/widar/index.shtml

关于radio loud quasar(与本文相关)的一篇astroleaks很好的总结: http://astroleaks.lamost.org/?p=1091

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