红移等于7.085的高光度类星体

( 随着进入暑假,可能更多的同学开始了Happy的假期生活,这段时间内,可能AstroLeaks的更新频率也会随之下降,但我们仍然会继续努力做到隔天更新,希望大家保持关注)

( 本文是今天新鲜出炉的一篇Nature文章,关于新的高红移类星体的发现,这么大的热门我们当然要证据第一时间报道了,不过文章还没看到astroph版本,所以可能很多同学看原文稍有困难,希望大家见谅; 另外,Nature文章的结构更像是一篇报告,因而我们没有按照一般的背景+方法+结论的方式介绍,尊重Nature文章的思路)

标题:A luminous quasar at a redshift of z = 7.085
作者:Daniel J. Mortlock, Stephen J. Warren, Bram P. Venemans, Mitesh Patel, Paul C. Hewett, Richard G. McMahon, Chris Simpson, Tom Theuns, Eduardo A. Gonzáles-Solares, Andy Adamson, Simon Dye, Nigel C. Hambly, Paul Hirst, Mike J. Irwin, Ernst Kuiper, Andy Lawrence & Huub J. A. Röttgering
论文索引:Nature 474, 616–619 (30 June 2011)
编辑供稿: 黄崧 (南京大学)

主要结论:

高红移星系,高红移类星体,宇宙再电离的研究有多么的火爆和重要肯定不需要我多说了吧,感兴趣的同学可以翻翻前面在我们网站上的相关文章。而本文最直接和重要的结论,就是找到了一颗破记录的高红移类星体:红移等于7.085的 ULAS J112001.481064124.3,(ULAS应该是UKIRT的某某巡天的缩写,这些高红移天体的名称一般都比较狰狞,没办法,以下我们就以ULAS代指了),而在这之前,记录保持者是SDSS中发现的红移为6.42的SDSS J114815251。按照ULAS的红移,这个时侯宇宙的年龄是7.7亿年,按照宇宙标准那是相当的年轻;类星体的光度达到了可怕的 6.3 \times 10^{13} L_{\odot},这样简单的估计一下其中的黑洞质量可能要接近10亿个太阳质量,这样的大质量黑洞在邻近宇宙都是不多见的 (相比之下我们银河系中心黑洞的质量估计在百万太阳质量的量级,整个银河系的恒星质量也就是千亿个太阳质量,也就是说,这个宇宙早期的QSO中心的黑洞质量是我们整个银河系的百分之一);当然,所有高红移QSO的研究都是强烈Bias的,基本上他们寻找的都是这个红移处最亮,黑洞质量最大,吸积最活跃的天体 (关于高红移星系中的黑洞,最近还有一篇X-ray叠加技术对高红移“普通”星系的探测,也有很有意思的结论,我们有空再介绍),从某种意义上讲,甚至可以考虑为,当时宇宙中最明亮的天体;但即便如此,包括考虑到可能的光度和黑洞质量估计的不确定,这个天体都是非常惊人的。

观测发现,这个类星体电离了自己附近1.8Mpc的空间,这个值比红移在 6.0-6.4 的QSO中观测到的,还是小了3倍左右,这个结论如果属实,基本可以用宇宙中中性介质的比例来解释,而ULAS附近 (学术名称叫 near-zone 我不知道怎么翻译。。)的透过率轮廓 (transmission profile,我还是不知道怎么翻译)也与 Damping Lyman-alpha wing的轮廓相符合 (靠,怎么连着都是不会翻译的词;这个概念参考Damped Lyman-alpha Absorber的介绍,就是当中性介质柱密度大于一定值的时侯,中性氢的Lyman-alpha吸收线会因为辐射阻尼的影响而变的很宽,前文提到的wing指的应该就是这个吸收轮廓的线翼部分)。如果按照这个估计,应该这个类星体前面的星系际介质中,中性成分的比例高于 0.1 。


fig1

Fig.1: ULAS J112001.481064124.3 的FORS + GNIRS合并光谱,结合低红移类星体的模板光谱,测光信息在图中右上角标注出。

观测细节:

ULAS最早是在UKIDSS红外巡天的数据发布中被确定出来,之所以依赖于红外巡天,是考虑到高红移类星体的光谱特征,对红移大于 6.5 的类星体,光学波段已经不再适合了;后续的光谱观测利用了Gemini-North望远镜上的Gemini Multi-Object Spectrograph (GMOS) 进行,在波长短于 0.98 微米的地方观测到了谱流量的显著陡降,最终确认为红移等于 7.08。尽管再次之前,有个别几个可能的高红移星系候选 (注意,只是候选) 和两个可能的伽马暴的红移高于这个值,但没有一个目标可以获得这么高信噪比的光谱,从而可以对 z=7到z=6.4之间的宇宙性质进行研究。

在确认了红移后,又利用更厉害一些的VLT FORS和Gemini GNIRS (这个是红外光谱仪)进行了进一步的光谱观测,并得到了光学红端到近红外 (2.4微米) 的合并光谱;通过和低红移相近光度的QSO的样板光谱比较,可以看到光谱轮廓非常类似;另外,一些显著的金属发射线也被确认出来,比如 CIV, MgII 等等,这些光谱特征从而进一步确认了类星体的红移。

整个光谱中最显著的特征就是相对于类星体红移有 2,800 km/s 蓝移的CIV发射线,这种程度的蓝移比观测到的 99.9% 的类星体中的CIV蓝移都要大。在Lyman-alpha发射线的对应波长处可以看到一个吸收线结构,似乎可以用一个与QSO中黑洞很近的HI云团的吸收来解释。前文提到的黑洞质量是通过MgII线的线宽 (3,800 km/s) 根据一定的经验关系得到的。如前所述,即便考虑到误差,在红移6.4-7.1的宇宙中存在如此大质量的黑洞,对早期黑洞“种子”的形成理论,吸积模型都提出了很严格限制。


fig2

Fig.2: ULAS和另外两个红移大于6的SDSS高红移QSO得到的Transmission的红移轮廓。

除去这个类星体,或者这个黑洞本身存在之外,本文最大的发现应该就是光谱中发现的Lya谱线蓝段几乎完全没有辐射流量这个结论,虽然这也算是与中性氢吸收的预期相符合的结论吧。前文定义了一个透过率 (Transmission),这个参数就是观测到的光谱除以图一光谱中蓝端的那条红色Power-law虚线 (QSO的经验连续谱辐射) 得到的值,通过这个估计还可以得到高红移星际介质的光学深度的估计。


fig3

Fig.3: ULAS和图二中的两个z>6 QSO得到的QSO邻近区域的透过率轮廓,横坐标为Mpc为单位的空间尺度,可以看到ULAS附近的电离区域明显比另两个红移稍低的QSO小

通过这个轮廓以及与其他几个红移稍低的高红移QSO的比较 (z=6.42, z=6.31),可以发现,在红移7.1处,类星体周围的星系际介质中中性气体的比例比z=6.2处高了约15倍,类星体的 “Near-zone”,即附近被类星体电离的区域也比6.2处的平均值 (7.4 – 8.0 Mpc) 小了很多。


fig4

Fig.4: ULAS的Lya发射线附近的Transmission轮廓与理论估计的几条Damping Lya 轮廓相比较。

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22 Replies to “红移等于7.085的高光度类星体”

  1. Lei Hou

    Firefox 5.0 Linux

    果然是重量级文章啊……问下,红移这样高的地方存在这么大的黑洞,对理论上有什么很直接的暗示么?

  2. novae

    MSIE 8.0 Windows XP

    选这种天体是不是有点像大海捞针,通过什么方法粗选出来的,文章中是不是没有提到,

  3. demian

    Firefox 3.6.13 Linux

    “The intergalactic medium was not completely reionized until
    approximately a billion years after the Big Bang”,然后这篇文章发现的是0.77 Billion years的,这个怎么理解?

  4. Zhenya Zheng

    Firefox 3.5.2 MacIntosh

    这么高红移, 得到的谱线居然和红移2.3<z<2.6的SDSS quasar的一致. 红移7处的金属线都怎么来得阿,一般高红移的星系的金属丰度都比较小的.

      • Zhenya Zheng

        Firefox 3.5.2 MacIntosh

        这是通过SED拟合得到的星系的金属丰度. 我说的星系都是高红移的Lyman Alpha Emitter.这类源数目巨大, 而且红移越高, 星系里有Lyman Alpha发射线的比例越高. 具体做LAE的SED拟合的文章, 有Guaita et al. 2010(关于z=2.1的LAEs),Gawiser et al. 2007(z=3.1 LAEs),以及Finkelstein et al. 2008(z=4.5 LAEs) 更高红移的我就不清楚了. 你给的文章, 其实是高红移的quasar的宽线区的金属丰度. 高红移的quasar的数目其实是非常少的, 但也特别亮, 所以适合个源来直接测谱线. 单个星系直接测金属线的工作其实现在还是比较困难, 我知道的最高红移星系的金属丰度直接测量的工作应该是Nakajima et al. 2011 (1105.2824) )的工作, 他们用三个窄滤波片, 测量红移2.2处LAE的Lya, Ha 和Oii线.

        • ZhiyuZhang

          Chrome 14.0.803.0 MacIntosh

          我把星系和Quasar混谈了. 多谢提醒. 🙂
          高红移星系的金属丰度应该低, QSO的金属丰度却可能很高.

        • 快乐中微子

          Firefox 5.0 Windows 7

          Guaita et al. 2010(关于z=2.1的LAEs),Gawiser et al. 2007(z=3.1 LAEs),以及Finkelstein et al. 2008(z=4.5 LAEs),三篇文章都没有提及SED 拟合金属丰度。求用SED 拟合丰度的文章。

      • Zhenya Zheng

        Firefox 3.5.2 MacIntosh

        为什么我把LAE和quasar联系到一起, 是因为我们在南天深场(CDFS)的z=4.5的LAE巡天, 我发现113个LAE星系里面只有一个有X-ray辐射 (zheng et al. 2010). 正好别人也证实了这个源是z=4.48的quasar. 这个源在我们选择的Lyman Alpha Emitters里面有最亮的Lyman Alpha线,但它和其他没有X-ray辐射的源没有线强变化的gap. 就是说, 我们选的高红移星系, 最亮一端是quasar, 然后数目只有一个, 也符合quasar的光度函数关系. 其它的都算galaxy, 和星系的光度函数关系也一致. 星系和quasar的区别就是中心是否有大质量黑洞. 似乎星系里面的恒星活跃到一定程度后, 中心必然会出现超大质量的黑洞

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