赫歇尔深度巡天中高红移500微米源的多波段研究

Merger-based galaxy evolution model is now widely accepted. In this framework, many observational properties of galaxies as well as Active Galactic Nuclei are well understood. Though on the crucial early stage of galaxy formation and evolution, submillimeter-selected galaxies (SMGs), particularly those at highest redshifts, are not well studied, and the origin of their high far-infrared luminosity is still not clear, due to the difficulty in identifying the counterparts to the SMGs at other bands. We recently developed a novel method to select high-z Herschel 500um sources. Based on our previous work, we propose to conduct a systematic study of SMGs at z≥2 in the Herschel deep surveys including GOODS and COSMOS. Using the latest X-ray data and other multi-wavelength datasets available in these deep fields, we will perform detailed investigations on the stellar population, star formation rate, dust distribution, morphology, and AGN fraction of SMGs, including those at z≥4, to understand the physical origin of the far-infrared emission and starbursts. Inferred properties of SMGs will shed new lights into co-evolution between super-massive black hole growth and host galaxy build up. Our results will also help to test models for the formation and evolution of QSOs.

基于并合的星系演化模型提供了理解星系和活动星系核众多观测现象的一个初略框架。作为演化序列上的一个极为重要的星系类型，亚毫米星系（尤其是在高红移）的性质及其极亮远红外光度的物理起源仍不清楚，亟需深入开展研究。申请人已经成功发展出证认高红移(z≥2)赫歇尔500微米源的新方法。本项目计划在已有工作的基础上，利用GOODS和COSMOS场的赫歇尔远红外巡天数据，结合最新的X射线等多波段观测数据，系统研究高红移500微米的星族质量、恒星形成率、尘埃分布、形态结构等物理性质，及其和黑洞吸积和星系演化的联系。预期成果包括：（1）获得一个均匀选的高红移（z≥2）500微米源样本；（2）红移z≥4亚毫米星系子样本；（3）详细诊断恒星、气体和尘埃的性质，理解极亮红外光度的物理起源；（4）亚毫米星系的统计性质及其与黑洞吸积和星系演化的联系；（5）验证极亮红外星系和类星体的形成和演化模型。

本项目利用先进的亚毫米、射电及X射线观测数据，针对高红移亚毫米星系及相关黑洞快速增长阶段吸积物理和喷流辐射开展了细致而系统的研究。通过构建500微米和24微米流量比图像，认证出一个样本近40个高红移（z~>2）亚毫米星系样本，其中约20%被当前赫歇尔巡天星表丢失，改变了此前研究对亚毫米星系红移分布的认识。在此基础上，进一步研究了JCMT/SCUBA2 深度巡天中450微米源的远红外能谱分布和尘埃辐射特性，较精确的刻画了500微米源的光度函数、红移分布和尘埃辐射等特征，揭示出传统850微米巡天丢失的具有高尘埃温度的宇宙早期星系。通过发展近红外dropout探测技术，发现了一批光学暗弱的宇宙早期大质量星系候选体，通过ALMA亚毫米高灵敏度和分辨率成像观测，明确揭示它们确实为宇宙早期形成的、具有代表性的大质量星系。深入研究其中的核活动特征，发现红移4左右具有最强AGN活动性的亚毫米星系候选体，有效验证了亚毫米星系和类星体共同演化的主流模型。提出解释活动星系超软X射线辐射的吸积盘模型，可能为中等质量黑洞吸积的新光谱态。通过分析后续射电波段的监测数据，明确给出了在中等质量黑洞吸积超软态下可以产生喷流辐射的观测证据，对经典的黑洞吸积态跃迁调制的喷流形成模型提出了挑战。发现首例活动星系超软X射线辐射的长期衰减行为，给出了活动星系可发生潮汐撕裂恒星事件的强烈观测证据，成果被美国宇航局NASA/Swift卫星选为亮点研究成果在其官方网站进行了专题报道。作为PI（或责任PI）积极申请并获得世界一流亚毫米、射电、X射线望远镜的观测时间，包括JCMT 1项、ALMA 2项、JVLA 6项、VLBA 3项、GMRT 3项、Swift 2项，进行创新研究。累计在国外主流天文期刊发表研究论文14篇，包括顶级期刊《自然》杂志论文1篇。据NASA／ADS数据库统计，截止项目结题时发表的研究论文已被同行引用超过100次。