[論文レビュー] A kiloparsec view of a typical star-forming galaxy when the Universe was ~1 Gyr old. Part I. Outflow, halo, and interstellar medium properties

Rodrigo Herrera-Camus, N. M. Förster Schreiber+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 105被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、z ≈ 5.5の典型的な星形成銀河であるHZ4における[ C II ] 158 μm線およびダスト連続スペクトルの高解像度ALMA観測を報告し、約400 km s⁻¹の速度で発生するキロパーセクスケールの噴出流と、局所の星形成率の3～6倍の中性ガス質量噴出率を明らかにした。また、直径約12 kpcの拡張した[ C II ]ハローも検出され、これは噴出流によって供給されている可能性が高く、初期の巨大銀河において銀河フィードバックがすでに銀河内および周囲銀河媒体を形作っていることを示している。

ABSTRACT

We present new Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) observations of the [CII] 158 $μ$m transition and the dust continuum in HZ4, a typical star-forming galaxy when the Universe was only $\sim1$ Gyr old ($z\approx5.5$). Our high $\approx0.3$'' spatial resolution allow us to study the relationships between [CII] line emission, star formation rate (SFR), and far-infrared (FIR) emission on spatial scales of $\sim2$ kpc. In the central $\sim$4 kpc of HZ4, the [CII]/FIR ratio is $\sim3 imes10^{-3}$ on global scales as well as on spatially-resolved scales of $\sim$2 kpc, comparable to the ratio observed in local moderate starburst galaxies such as M82 or M83. For the first time in an individual normal galaxy at this redshift, we find evidence for outflowing gas from the central star-forming region in the direction of the minor-axis of the galaxy. The projected velocity of the outflow is $\sim400$ km s$^{-1}$, and the neutral gas mass outflow rate is $\sim3-6$ times higher than the SFR in the central region. Finally, we detect a diffuse component of [CII] emission, or "[CII]-halo", that extends beyond the star-forming disk and has a size of $\sim12$ kpc in diameter. Most likely the outflow, which has a velocity approximately half the escape velocity of the system, is in part responsible for fueling the [CII] extended emission. Together with the kinematic analysis of HZ4 (presented in a forthcoming paper), the analysis supports that HZ4 is a typical star-forming disk at $z\sim5$ with interstellar medium (ISM) conditions similar to present-day galaxies forming stars at a similar level, driving a galactic outflow that may already play a role in its evolution.

研究の動機と目的

• 宇宙の年齢が約1 Gyrであったz ≈ 5.5の典型的な星形成銀河における星間媒体（ISM）、噴出流、および周囲銀河媒体（CGM）の性質を調査すること。
• [ C II ]/FIR比とその空間的変動を評価し、星間媒体における加熱・冷却のバランスを評価すること。
• 高赤方偏移の通常の銀河において、銀河噴出流および拡張した[ C II ]放射（ハロー）を検出し、特徴づけること。
• 星形成率に対する質量噴出率の測定を通じて、フィードバックの役割を早期銀河進化において評価すること。

提案手法

• z ≈ 5.5のHZ4における[ C II ]線放射およびダスト連続スペクトルを、空間解像度約0.3″（≈2 kpc）で高解像度ALMA観測することで、[ C II ]線放射とダスト連続スペクトルを解像度を保ったまま分析すること。
• 空間的に解像された[ C II ]光度、FIR光度、および星形成率（SFR）を、約2 kpcのスケールで分析すること。
• [ C II ]放射の運動学的モデリングを通じて、短軸に沿った速度シフトを用いて噴出するガスを同定すること。
• 衝突励起理論から導かれた質量-光度換算係数κ_[CII]を用いて、中性ガス質量噴出率を推定すること。
• MAPPINGS光電離コードとGoldsmithら（2015）の臨界密度形式を用いて、κ_[CII]をガス密度、温度、金属量の関数としてモデリングすること。
• 観測された[ C II ]ハローのサイズ（約12 kpcの直径）を、噴出流に起因するガス分布の理論的予測と比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 典型的な高赤方偏移星形成銀河における空間的に解像された[ C II ]/FIR比は何か？また、局所の類縁銀河と比較してどうか？
• RQ2 z ≈ 5.5の通常の、非サブミリ波長で明るくない銀河において、銀河噴出流の直接的証拠は存在するか？
• RQ3 [ C II ]放射の拡張した領域（星形成ディスクの外縁）の広がりと運動学的構造は何か？その形成を引き起こす要因は何か？
• RQ4 この初期の銀河において、質量噴出率と星形成率はどのように比較されるか？フィードバック効率に何を示唆するか？
• RQ5 [ C II ]ハローはどの程度噴出流によって供給されているか？また、これは系の脱出速度とどのように関係しているか？

主な発見

• HZ4における[ C II ]/FIR比は、グローバルおよび約2 kpcの空間スケールでそれぞれ~3×10⁻³であり、M82 や M83 などの局所の中程度の星形成爆発銀河と一致する値である。
• 短軸に沿って明確な噴出流が検出され、投影速度は約400 km s⁻¹、中性ガス質量噴出率は約3–6 M☉ yr⁻¹であり、局所のSFRを上回っている。
• 拡散的な[ C II ]ハローは、星形成ディスクをはるかに超えて約12 kpcの直径にまで広がっており、周囲銀河媒体に広がる電離・中性ガスが存在することを示している。
• 噴出速度は系の脱出速度のおよそ半分であり、エネルギー的に有意で、拡張した[ C II ]放射の供給源である可能性が高い。
• HZ4の運動学的および形態的構造は、星間媒体の状態が現在の銀河と同等の星形成率で形成される銀河と類似していることを支持しており、典型的な高赤方偏移星形成ディスクであると考えられる。
• 本研究は、通常の高赤方偏移銀河において銀河噴出流を解像度で特定した初の証拠を提供しており、z ≈ 5.5においてフィードバックが進化の主要因であることを強調している。