[論文レビュー] ALMA reveals the molecular gas properties of 5 star-forming galaxies across the main sequence at 3 < z < 3.5

P. Cassata, Daizhong Liu+18 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 66被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、3 < z < 3.5の5つのメインシーケンス星形成銀河でALMAを用いてCO(5-4)および低次の遷移を検出しており、CO放射度と準太陽放射度の強い相関が示され、CO(5-4)が遮蔽された星形成を tracer していることを示している。銀河は非常にガスに富んでおり（分子ガス質量分率60–80％）、ガス消費時間は0.2–1 Gyrと長く、導出されたαCOパラメータは標準値3.8 M⊙(K km s−1 pc−2)−1と整合しており、z ∼3.2における最初の直接的観測的制約を提供している。

ABSTRACT

We present the detection of CO(5-4) with S/N> 7 - 13 and a lower CO transition with S/N > 3 (CO(4-3) for 4 galaxies, and CO(3-2) for one) with ALMA in band 3 and 4 in five main sequence star-forming galaxies with stellar masses 3-6x10^10 M/M_sun at 3 < z < 3.5. We find a good correlation between the total far-infrared luminosity LFIR and the luminosity of the CO(5-4) transition L'CO(5-4), where L'CO(5-4) increases with SFR, indicating that CO(5-4) is a good tracer of the obscured SFR in these galaxies. The two galaxies that lie closer to the star-forming main sequence have CO SLED slopes that are comparable to other star-forming populations, such as local SMGs and BzK star-forming galaxies; the three objects with higher specific star formation rates (sSFR) have far steeper CO SLEDs, which possibly indicates a more concentrated episode of star formation. By exploiting the CO SLED slopes to extrapolate the luminosity of the CO(1-0) transition, and using a classical conversion factor for main sequence galaxies of alpha_CO = 3.8 M_sun(K km s^-1 pc^-2)^-1, we find that these galaxies are very gas rich, with molecular gas fractions between 60 and 80%, and quite long depletion times, between 0.2 and 1 Gyr. Finally, we obtain dynamical masses that are comparable with the sum of stellar and gas mass (at least for four out of five galaxies), allowing us to put a first constraint on the alpha_CO parameter for main sequence galaxies at an unprecedented redshift.

研究の動機と目的

• 3 < z < 3.5というCOデータが乏しい赤方偏移領域におけるメインシーケンス星形成銀河の分子ガス性質を測定すること。
• 高赤方偏移銀河における遮蔽星形成の tracer としてCO(5-4)の信頼性を検証すること。
• COスペクトル線エネルギー分布（SLED）を用いて、不確かなダスト温度仮定に依存しない分子ガス質量の制約をすること。
• z ∼3.2の通常のメインシーケンス銀河におけるαCO変換係数を初めて推定すること。
• 動力学的質量とバリオン質量を比較して、ガス質量および動力学的質量推定値の妥当性を検証すること。

提案手法

• ALMA Band 3およびBand 4を用いて、3 < z < 3.5の5つのメインシーケンス銀河でCO(5-4)および低次の遷移（CO(4-3)またはCO(3-2)）を標的的に観測した。
• VUDSおよびzCOSMOSの多波長画像および分光観測を用いて赤方偏移、SFRおよび星形成質量を導出した。
• SEDにMAGPHYSを適合させ、ダスト温度および準太陽放射度を推定した。
• 検出された遷移からCO SLEDを構築し、SLED勾配を用いてCO(1-0)に外挿することで、全分子ガス質量を推定した。
• αCO = 3.8 M⊙(K km s−1 pc−2)−1の変換係数を適用してガス質量およびガス消費 timescale を導出した。
• COライン幅から動力学的質量を推定し、星形成質量およびガス質量と比較することで仮定の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z ∼3.2のメインシーケンス銀河において、CO(5-4)は遮蔽星形成の信頼できる tracer であるか？
• RQ2 これらの銀河におけるCO SLED勾配は、局所の星形成集団（BzKおよびSMG）と比較してどう異なるか？また、星形成の集中度に何を示唆するか？
• RQ3 CO SLEDの外挿によるガス質量推定値は、ダスト連続体放射に基づく推定値とどの程度異なるか？
• RQ4 z ∼3.2のメインシーケンス銀河における分子ガス分率およびガス消費 timescale は何か？また、文献値と比較するとどうか？
• RQ5 z > 3の通常のメインシーケンス銀河において、αCOパラメータを観測的に制約できるか、初めての試みであるか？

主な発見

• CO(5-4)放射度と準太陽放射度（LF IR）の間に強い相関が確認され、CO(5-4)が高赤方偏移メインシーケンス銀河における遮蔽星形成の強力な tracer であることを裏付けた。
• メインシーケンスに近い銀河は、局所のBzKおよびSMG集団と同様のCO SLED勾配を示し、恒常的で広がった星形成を示唆する。一方、sSFRがより高い銀河はより急なSLED勾配を示し、より集中したまたはバースト型の星形成を示唆する。
• 分子ガス分率は60%から80%の間であり、z ∼3の類似した（ただしレンズ効果を受ける）銀河で得られた値と整合的であり、z > 3でガス分率のプラトーが存在することを支持する。
• ガス消費 timescale は0.2から1 Gyrの間であり、メインシーケンスに近い銀河では長くなる傾向にあり、sSFRが高くなるほどガス消費が速くなることを示唆している。
• 動力学的質量は、5つの銀河のうち4つにおいて星形成質量とガス質量の合計と同等であり、質量推定値の妥当性を裏付け、標準的なαCO = 3.8 M⊙(K km s−1 pc−2)−1の使用を支持する。
• z ∼3.2においてαCOパラメータが3.8 M⊙(K km s−1 pc−2)−1と整合的であることが観測的に制約され、この赤方偏移における最初の直接的観測的制約となった。