从多波段光谱能量分布分解得到的类星体宿主星系远红外恒星形成率

《Universe》：Far-Infrared Star Formation Rates of Quasar Host Galaxies from Multiwavelength Spectral Energy Distribution Decomposition

　　

可靠的恒星形成率（SFRs）对于研究黑洞增长与类星体宿主星系之间的联系至关重要。研究人员利用多波段光谱能量分布（SED）分解，研究了202个SDSS和PG类星体（红移0.02FIR/M_⊙ yr^-1)??0.45–2.76）的远红外（FIR）SFRs和宿主星系性质。测光数据覆盖从光学到远红外波段，并辅以JCMT/SCUBA-2在450和850 μm的观测。研究人员使用CIGALE和AGNfitter对SED进行建模，并采用多种冷尘埃模板来量化系统不确定性。五个FIR SFR估计之间的中位数模型相关散度为0.14 dex，且AGNfitter给出的FIR SFRs比CIGALE平均估计值低约0.09 dex。对于58个有SCUBA-2覆盖的类星体，包含SCUBA-2数据平均仅使采用的FIR SFR改变约0.01 dex，但可能影响个别Herschel覆盖有限或射电噪的源。在FIR约束样本中，许多类星体宿主位于或高于恒星形成主序，但SDSS子样本的红移依赖的FIR选择限制了关于整个类星体宿主群体的结论。研究人员发现主序（MS）偏移与直接爱丁顿比之间没有清晰的相关性，而偏移与基于红外的L_torus/L_Edd代理正相关。尘埃模型中的最小辐射场强度U_min随辐射光度和尘埃温度增加。WISE W2（4.6 μm）和W3（12 μm）结合Herschel波段也可提供AGN红外贡献分数（f_AGN）的有用经验指标。

**论文解读文章**

**研究背景与意义**
超质量黑洞（SMBH）增长与宿主星系演化之间存在紧密联系，但类星体宿主星系的恒星形成率（SFR）测量面临严重挑战：中心活动星系核（AGN）的强辐射污染了紫外、光学、近红外及中红外等常用SFR指示器。远红外（FIR）发射主要来自冷尘埃，相对不受AGN环状尘埃影响，但对明亮类星体，AGN环状尘埃也可能贡献部分FIR发射，需通过多波段光谱能量分布（SED）分解来分离恒星形成相关冷尘埃成分。此前研究对SFR与AGN活动的关系存在争议，部分源于不同SED拟合模型和测光覆盖导致的系统不确定性。因此，本研究旨在通过多波段SED分解、多种模型和额外亚毫米观测，为低红移I型类星体获得稳健的FIR SFR，并量化主要不确定性来源。论文发表在《Universe》。

**主要技术方法**
样本来源：115个SDSS DR7类星体（需至少两个Herschel波段探测）和87个PG类星体（来自Shangguan et al. 2018），共202个独特源，红移0.02
**研究结果**
**4.1 FIR SFR估计与模型比较**：通过五种冷尘埃模板（四种CIGALE模板和AGNfitter）获得每个类星体的FIR SFR。CIGALE四种模板之间的中位数散度为0.10 dex（约26%），AGNfitter给出的SFR比CIGALE平均值低0.09 dex（约19%）。五种估计综合的中位数散度为0.14 dex（约38%），表明模型选择是系统不确定性的重要来源。

**4.2 SCUBA-2数据对SED拟合结果的影响**：对58个有SCUBA-2覆盖的源，比较包含与排除SCUBA-2数据时的FIR SFR。平均变化仅0.01 dex，但个别源（尤其是Herschel探测波段数≤2或射电噪源）的差异可达0.12 dex。SCUBA-2探测源的变化范围更大，表明额外亚毫米数据对有限FIR覆盖的源有重要约束作用。

**4.3 主序偏移与黑洞吸积**：利用SED拟合得到的SFR和恒星质量，计算宿主星系相对于恒星形成主序（MS）的偏移ΔMS。多数FIR约束源位于或高于MS，但SDSS子样本的FIR选择阈值随红移增加而显著上升（从z<0.16的ΔMS约-0.4 dex到z=0.3-0.5的约-0.1至0.2 dex），导致高红移源偏向高SFR群体。ΔMS与黑洞吸积率（BHAR）仅在最红移z<0.16波段显示弱正相关，与直接爱丁顿比无显著相关。但ΔMS与基于红外的AGN代理（L_torus/L_Edd）在所有红移波段均呈正相关，表明红外AGN特征与宿主恒星形成可能存在联系。

**4.4 辐射场强度与尘埃加热**：SED拟合得到的最小辐射场强度U_min随AGN辐射光度（L_bol）和冷尘埃温度（T_dust）增加而增加，支持更亮类星体可能加热宿主星系尺度冷尘埃的猜想。但SED拟合无法提供空间信息，且红移效应、增强恒星形成及拟合简并也可能贡献该趋势。

**4.5 恒星质量的可能影响**：恒星质量本身存在约0.24 dex的模型相关散度。在不同恒星质量区间内，ΔMS与BHAR关系趋势不一致，而U_min与L_bol的正相关在各质量区间仍可见，表明该关系并非主要由恒星质量驱动。

**4.6 FIR数据质量的影响**：定义两种SPIRE质量子样本（250 μm探测或至少两个SPIRE波段探测），这些子样本的中位数红移、FIR SFR和ΔMS均高于全SDSS样本，且所有源位于MS之上，证实FIR选择偏向高SFR源。ΔMS与L_torus/L_Edd的正相关在SPIRE质量子样本中仍存在，但显著性依赖数据质量。

**4.7 红外颜色作为AGN贡献的示踪**：AGN对总红外光度（8-1000 μm）的贡献分数f_AGN分布非零，尤其在高红移源。24种WISE-Herschel颜色中，W2/70 μm、W3/70 μm和W3/100 μm与f_AGN的相关性最强，可提供经验估计。但该关系对FIR覆盖较差的源（≤2个Herschel探测）偏差较大，且可能不适用于射电噪类星体。

**总结与讨论**
讨论部分综合指出：多组分SED分解对获得类星体宿主星系FIR SFR至关重要；模型依赖的散度（~0.14 dex）需纳入系统误差；SCUBA-2数据平均影响小但改善个别源约束；宿主星系恒星形成与AGN活动的关系受红移、FIR选择效应、模型依赖及不同示踪剂时标差异影响，需谨慎解释；红外颜色可作为便捷的AGN贡献经验指标，但受限于FIR数据质量。
**研究结论翻译**：
1. 对每个类星体，使用四种CIGALE冷尘埃模板和AGNfitter导出五个FIR SFR估计。CIGALE模板结果的中位数散度为0.10 dex，对应约26%。AGNfitter给出的SFR比CIGALE平均估计值低0.09 dex，约19%。综合所有五个估计，中位数模型依赖散度为0.14 dex，约38%。因此，对具有类似测光覆盖和建模假设的源，应考虑约0.14 dex的系统不确定性。
2. 对58个有SCUBA-2覆盖的类星体，移除SCUBA-2数据平均仅改变FIR SFR约0.01 dex。SCUBA-2探测源和仅上限源的均值变化接近零，但个别源的变化范围从-0.06到+0.12 dex，对Herschel覆盖有限或射电噪的类星体变化更大。
3. 在FIR约束样本内，许多类星体宿主位于或高于恒星形成主序。但SDSS子样本的有效FIR选择阈值随红移强烈增加，从z<0.16的ΔMS约-0.4 dex到z=0.3-0.5的约-0.1至0.2 dex。高红移波段主要代表FIR亮、高SFR的类星体宿主群体。全样本的ΔMS-BHAR趋势并非在所有红移波段出现，且ΔMS或比SFR与直接爱丁顿比之间未发现清晰相关。
4. 作为额外测试，ΔMS在四个红移波段均与基于红外的L_torus/L_Edd比正相关，而与单独的L_torus关系较弱。L_torus/L_Edd比不是直接的爱丁顿比测量，也可能依赖于环状尘埃性质和SED分解。红移依赖的FIR选择在解释该关系时也应考虑。
5. 辐射场强度U_min倾向于随类星体辐射光度和冷尘埃温度增加。这表明更亮类星体可能与更强的辐射场相关。但红移效应、增强恒星形成和SED拟合简并也可能贡献该趋势。
6. 测试了24种WISE-Herschel颜色作为f_AGN（8-1000 μm内AGN对总红外光度贡献）的指示器。W2/70 μm、W3/70 μm和W3/100 μm显示出最强相关性。这些颜色可提供AGN红外贡献的简单估计，但应谨慎用于射电噪源或FIR约束弱的源。