[論文レビュー] ALMA as a Redshift Machine: Using [CII] to Efficiently Confirm Galaxies in the Epoch of Reionization

Sander Schouws, R. J. Bouwens+12 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2022

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ALMAのスペクトル走査が赤方偏移z~7の高赤方偏移銀河を[CII] 158μm線を用いて効果的に確認できることを示している。光度が高いリーマンブレイク銀河6個のうち50％で[CII]線が検出され、[CII]放射度（5.6–8.8×10⁸ L☉）は局所の[CII]-SFR関係と整合的であり、運動学的多様性から回転、合体、クラスタ型星形成が明らかになった。

ABSTRACT

The [CII]$_{158μm}$ line has long been proposed as a promising line to spectroscopically confirm galaxies in the epoch of reionization. In this paper we present the results of new ALMA observations spectral scanning for [CII] in six particularly luminous Lyman Break Galaxies at $z\sim7$. The six sources were drawn from a sample of bright $z\sim7$ galaxies identified using the wide-area optical, near-IR, and Spitzer/IRAC data over the COSMOS/UltraVISTA field and were targeted on the basis of tight constraints on their redshifts from their IRAC [3.6]-[4.5] colors. We detect significant ($>9σ$) [CII] lines in three of our six targets ($50\%$) co-spatial with the rest-$UV$ emission from the ground/space-based near-IR imaging. The luminosities of the [CII] lines lie in the range $5.6$ to $8.8 imes10^{8}L_{\odot}$, consistent with the local [CII]-SFR relation. Meanwhile, their [CII]/$L_{IR}\sim1-3 imes10^{-3}$ ratios are slightly elevated compared to local (U)LIRGS. This could be due to lower dust-to-gas or dust-to-metal ratios. We also find that our sources display a large kinematic diversity, with one source showing signs of rotation, one source a likely major merger and one dispersion dominated source that might contain a bright star-forming clump. Our results highlight the effectiveness of spectral scans with ALMA in spectroscopically confirming luminous galaxies in the epoch of reionization, something that is being be applied on a significantly larger sample in the on-going REBELS large program.

研究の動機と目的

• ALMAのスペクトル走査が、[CII] 158μm線を用いてz~7の高赤方偏移銀河を分光的に確認する効果性を検証すること。
• 光度の高いz~7銀河における[CII]線放出が、局所の[CII]-SFR関係およびチリューム比に一致するかを評価すること。
• [CII]線の形態およびドップラー速度プロファイルを用いて、高赤方偏移銀河の運動学的構造を調査すること。
• 過去のALMA調査で見られる選択バイアスの影響を評価すること。特に、[CII]放射度が低いLyα線放出銀河に偏った傾向があること。
• IRAC [3.6]-[4.5]色を用いた正確な光度赤方偏移推定の代理指標としての有効性を検証すること。

提案手法

• COSMOS/UltraVISTAおよびSpitzer/IRACデータから選ばれた、IRAC [3.6]-[4.5]色から得られたきめ細かい光度赤方偏移を有する、光度の高いz~7リーマンブレイク銀河6個を標的とした。
• z~7における赤方偏移された[CII] 158μm線の発光を検出するために、深さのあるALMAスペクトル走査を実施した。
• 9σの有意水準を基準として[CII]線の信頼できる検出を定義し、HST/Spitzer画像によるrest-UV放射の空間的一致を用いて検証した。
• [CII]放射度を測定し、局所の[CII]-SFR関係と比較することで、星形成効率を評価した。
• [CII]/LIR比を校正し、局所の(U)LIRGと比較して、チリューム比および金属量比の相違を評価した。
• [CII]線プロファイルの解析を通じて、運動学的構造（回転、合体、散乱支配型構造）を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRAC [3.6]-[4.5]色を用いて選別された光度の高いz~7銀河において、ALMAのスペクトル走査が[CII]線を効果的に検出できるか？
• RQ2 高SFRを持つz~7銀河の[CII]放射度は、局所の[CII]-SFR関係と一致するか？
• RQ3 z~7銀河における[CII]/LIR比は、局所の(U)LIRGと一致するか？それとも、チリューム比や金属量比が低いことを示唆するか？
• RQ4 高赤方偏移銀河における[CII]線プロファイルから、回転、合体、クラスタ構造などの運動学的構造がどのように明らかされるか？
• RQ5 Lyα線放出ではなく、強いIRAC色を有する銀河を標的にすることで、z~7における[CII]線検出効率が向上するか？

主な発見

• ALMAは、標的としたz~7銀河6個のうち3つで9σ以上の大規模な[CII]線放出を検出し、本サンプルで50％の検出率を達成した。
• [CII]放射度は5.6×10⁸から8.8×10⁸ L☉の範囲にあり、局所の[CII]-SFR関係と整合的であり、通常の星形成効率を示している。
• [CII]/LIR比は1–3×10⁻³であり、局所の(U)LIRGと比較してわずかに高い値を示しており、チリューム比や金属量比が低い可能性を示唆している。
• 運動学的解析により、多様な構造が明らかになった：1例は回転を示し、1例は主要な合体の兆候を示し、1例は散乱支配型であり、明るい星形成クラスタを有する可能性がある。
• 本サンプルにおける[CII]線検出の成功は、Lyαエミッターではなく、光度が高く、光度赤方偏移が明確に制約された銀河を標的にすることで、検出効率を最大化する戦略の有効性を裏付けている。
• 本研究の結果は、ALMAスペクトル走査が高赤方偏移銀河を確認する効率的な手法であることを裏付け、現在はより大規模なREBELS調査でも応用されている。