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标题:Discovery of a Radio-Selected z ~ 6 Quasar
作者:Gregory R. Zeimann, Richard L. White, Robert H. Becker, Jacqueline A. Hodge, Spencer A. Stanford, Gordon T. Richards
论文索引: astro-ph:1105.2047 http://arxiv.org/abs/1105.2047
编辑供稿: 黄崧 (南京大学)

背景介绍

高红移类星体研究的意义?

其实,高红移类星体研究有多重要早就无需赘言,大家自可以搜索一下近期的 astroph上的文章和综述 http://arxiv.org/find/astro-ph/1/ti:+AND+Quasar+AND+High+Redshift/0/1/0/all/0/1. 当然,这里说的高红移要求比较严格,一般说来只有红移大于5.7的,才属于如假包换的高红移类星体,尽管在大规模巡天中寻找它们已经超过了10年,但总共已经被发现的只有约60个 (可以参考:Fan et al. 2000; Willott et al. 2007; Jiang et al. 2008)。虽然数量稀少,却已经为我们研究宇宙早期星系形成,超大质量黑洞的形成和演化,星系际介质性质和宇宙再电离等学科方向提供了很多宝贵的资料。而在这些类星体中,射电噪(Radio Loud)类星体http://en.wikipedia.org/wiki/Active_galactic_nucleus#Radio-loud_AGN 更是属于珍品中的珍品,不仅因为它们可以提供额外的信息,还因为在未来一系列大型设备 (EVLA, ALMA, LOFAR, SKA 等)的背景下,这种天体可以作为非常宝贵的观测候选,尤其是通过高红移21cm HI http://en.wikipedia.org/wiki/21cm_radiation 的吸收线来从全新的角度研究星系际介质演化和宇宙再电离。

基于大规模巡天寻找高红移类星体候选需要非常有效的筛选方法,而且要小心的把真正的类星体和可能混淆的源,比如低表面温度的矮星,区分开. 目前最常用的方法是基于从测光观测得到的光学和近红外颜色性质,一般利用红移到光学波段的 Lyman break,从较红的光学颜色 (i-z ) 入手,再利用近红外波段颜色较蓝的性质 ( z-J ) 来区分矮星和类星体,不过这个方法虽然效率不错,但是也不能做到十全十美;而从射电探测角度出发来区分类星体和矮星显然更为安全一些,不过已知的高红移的类星体探测只在60个中的3个样本中观测到了可靠的射电发射,虽然如此,但挑出颜色选择的框架看,通过射电探测选源依然可能发现一些无法用颜色方法选择出的高红移类星体的可能,而本文正展示了这样的一个例子。

观测结果

Fig.1: SDSS Stripe82天区的多波段覆盖情况;图片来自 CFHT-Stripe82巡天主页。

Stripe82-VLA巡天

本文的工作显然需要一个有多波段覆盖的天区,尤其是需要有较深的光学,红外和射电连续谱巡天观测,这里给大家介绍一个由SDSS巡天选择出的天区,称为Stripe82,Stripe是SDSS定义巡天几何结构的一种方式,这里的Stripe82是一个沿着银道分布的狭长带状天区,具体坐标是:20h < RA < 4h,-1.5d < Dec < 1.5d,天区面积为300平方度。SDSS对这个天区进行了反复的巡天观测,用以研究光变天体和寻找超新星,但反复观测的叠加也产生了一个比普通SDSS覆盖天区深将近2个星等的“深场”,也适合来做一些高红移天体的搜寻工作;这个天区已经有了非常好的多波段观测覆盖,比如CFHT的巡天和NRAOVLA 的FIRST射电连续谱巡天,不过为了本文的目的,显然需要灵敏度更高和分辨率更高的射电巡天,因此,专门针对Stripe82的 VLA 干涉阵在最高分辨率下 1.4 GHz 连续谱观测成了最好的选择。

Fig.2: SDSS J2228+0110的SDSS i,z波段和VLA 1.4GHz的观测。

Stripe82-VLA巡天覆盖了Stripe82内的92平方度的天区,分辨率为了1.8角秒,误差水平达到了 52 μJy (中值),产生了一个包含了17969个探测天体的源表。本文选源工作的第一步是把覆盖这个天区的源表按照一定的位置误差进行交叉( 对SDSS是0.6″ ,对CFHT巡天是1“ ),然后再根据近红外星等和光学颜色(i-Z)进行筛选,同时要求在SDSS的u,g,r波段不能够有探测,并肉眼检查图象,避免宇宙线和坏相元的干扰。在这些步骤之后,产生了一个27个候选源的列表,通过与以前的工作对比,在这27个源中,只有3个被选择为高红移类星体,剩下的不是颜色不合格就是过暗。再进行射电筛选之前,作者首先根据高红移类型体的光度函数和估计的射电噪比例,估算了在搜索范围内应该能探测到的高红移类星体的数目,具体过程请参考文章3.5节后半部分,根据预测,这个数目大致在3-4个。

Fig.3: 根据 Willott et al 2009画出的颜色-颜色图,右下角的蓝色梯形区域为定义高红移类星体候选的区域。SDSS J2228+0110为梯形区域外的浅蓝色圆点标注;图中两条虚线分别标注出了高红移类星体和冷星的模板SED。

本文介绍的这个类星体:SDSS J2228+0110 (观测结果见图2),VLA 的观测给出了0.31 mJy的3个sigma 信号,但其z波段星等只有22.8等,近红外颜色 i-z=1.81,按照以前工作的标准,这个星系既过暗,其颜色也过蓝,不能落入选择范围,在本文的观测中,也都处在探测极限附近(见上图)。之所以把这个星系选择出来,决定性的证据还是来自光谱观测的确认,利用Keck望远镜LRIS设备的低分辨光谱仪900秒观测,这个天体只显示出了一根明显的发射线:Lyman alpha,但根据Lya线计算出的红移,其他一些谱线对应处也找到了相应的可能的探测。不过,这已经基本可以确认此天体为高红移类星体,从而在以前选择条件之外,利用射电观测,找到了一个红移等于5.95的类型体。

Fig.4: SDSS J2228+0110的Keck LRIS光谱观测显示出了明显的Lya谱线。

讨论与展望

本文的工作展示出了射电选择作为不同于颜色-颜色选择的方法,可以挑选出原来方法不能识别的高红移类星体,在这之前的射电搜索工作只在很小的天区中进行,而且选出的类星体也是落入以前颜色选择区域的。而本文选择方法的意义,不仅仅在于可以利用射电有效的区分低温矮星和类星体,还在于可以利用射电观测,挑选到近红外颜色偏“红”的类星体,而这种颜色的差别,很可能是由于尘埃消光造成的。如果真的如此,可以为研究超大质量黑洞的早期吸积和演化过程提供很有趣的证据,尤其是让人联想到高红移类星体的颜色和射电性质之间的联系。

不管怎样,本文的工作还在进行当中,目前射电选择高红移类星体的主要限制还是射电巡天观测的覆盖和深度。希望日后不断改善的射电巡天,可以为我们提供更多的信息吧。

延伸阅读

1. 关于Stripe82天区的VLA观测的介绍 http://www.physics.drexel.edu/~gtr/vla/stripe82/Deep_VLA_Observations_of_SDSS_Stripe_82.html
2. 对Stripe82天区的VLA 1.4GHz深场观测的文章 http://arxiv.org/pdf/1103.5749v1
3. VLA FIRST巡天的网站介绍 http://sundog.stsci.edu/
4. Keel网站上关于高红移类星体射电观测的介绍 http://astronomy.ua.edu/keel/agn/highz.html
5. Xiaohui Fan关于高红移类星体演化的报告文件 (PDF格式) http://www.physics.uci.edu/Cosmology/Fan_Xiaohui.pdf

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