[論文レビュー] Low-redshift analogs of submm galaxies: a diverse population

I. Oteo, Ian Smail+12 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2017

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、遠赤外線ラジアンスとチルト温度を一致させることで、21個の低赤方偏移（z < 0.5）の高赤方偏移サブミリ波長銀河（SMGs）の類縁体を同定した。IRAM-30mの観測により、CO線幅比の多様性が明らかとなり、J≥2 CO遷移からの分子ガス質量の外挿は極めて不確実であることが示された。一方、きついダスト-ガスラジアンス相関と平均分子ガス質量（約1.6×10¹⁰ M☉）およびガス消費 timescale（約100 Myr）が確認された。

ABSTRACT

We have combined the wide-area Herschel-ATLAS far-IR survey with spectroscopic redshifts from GAMA and SDSS to define a sample of 21 low--redshift ($z_{ m spec} &lt; 0.5$) analogs of submm galaxies (SMGs). These have been selected because their dust temperatures and total IR luminosities are similar to those for the classical high-redshift SMG population. As well as presenting the sample, in this paper we report $^{12}$CO(2-1) and $^{12}$CO(1-0) observations of 16 low-redshift analogs of SMGs taken with the IRAM-30m telescope. We have obtained that low-redshift analogs of SMGs represent a very diverse population, similar to what has been found for high-redshift SMGs. A large variety in the molecular gas excitation or $^{12}$CO(2-1)/$^{12}$CO(1-0) line ratio is seen, meaning that extrapolations from $J \geq 2$ CO lines can result in very uncertain molecular gas mass determinations. Our sources with $^{12}$CO(1-0) detections follow the dust--gas correlation found in previous work at different redshifts and luminosities. The molecular gas mass of low-redshift SMGs has an average value of $M_{ m H_2} \sim 1.6 imes 10^{10}\,M_\odot$ and will be consumed in $\sim 100 \, { m Myr}$ . We also find a wide range of molecular gas fractions, with the highest values being compatible with those found in high-redshift SMGs with $^{12}$CO(1-0) detections, which are only the most luminous. Low-redshift SMGs offer a unique opportunity to study the properties of extreme star formation in a detail not possible at higher redshifts.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移サブミリ波長銀河（SMGs）と同等の遠赤外線ラジアンスおよびダスト温度を持つ低赤方偏移類縁体を同定し、よりアクセスしやすい赤方偏移領域での極端な星形成の詳細な研究を可能にする。
• CO(1–0)およびCO(2–1)線観測を用いて、これらの低赤方偏移SMG類縁体の分子ガス含量および励起状態を調査し、高J CO遷移からのガス質量推定における不確実性を解消する。
• 低赤方偏移類縁体と高赤方偏移SMGsを比較することで、極端な星形成系におけるダスト-ガスラジアンス相関およびガス消費 timescale の普遍性を検証する。
• 低赤方偏移SMG類縁体の形態的および力学的多様性を調査し、特に二重ピークCO線プロファイルの存在が、高赤方偏移SMGの性質解釈に与える意味を検討する。

提案手法

• GAMAおよびSDSSのスペクトル赤方偏移データを用い、Herschel-ATLAS調査から低赤方偏移（z < 0.5）のSMG類縁体21個を同定。高赤方偏移SMGsと同等の全IRラジアンスおよびダスト温度を満たすものとして選定した。
• IRAM-30m電波望遠鏡を用い、21個中16個の類縁体について12 CO(1–0)および12 CO(2–1)線観測を実施し、分子ガス含量および励起状態を測定した。
• 標準的なラジアンス-質量換算式を用い、観測された12CO(2–1)/12CO(1–0)線比に基づくCO励起補正を施して分子ガス質量を計算した。
• CO線プロファイルの解析により、孤立したディスクや相互作用系の運動的特徴を同定し、形態とガス運動の関係を明らかにした。
• 観測されたCOラジアンスとIRラジアンス、ダスト放射を比較し、L′_CO–L_IRおよびL′_CO–L_850相関の存在と散らばりを検証した。
• 近赤外および可視光画像を用い、形態を分類し、相互作用の有無を評価した。構造的特徴とCO線プロファイルの関係を結びつけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低赤方偏移SMG類縁体は、高赤方偏移SMGsで観測された多様な形態的および運動的性質をどの程度再現しているか？
• RQ2 低赤方偏移SMG類縁体におけるCO励起状態（12CO(2–1)/12CO(1–0)線比）はどの程度変動し、高J CO遷移からの分子ガス質量推定にどのような影響を及えるか？
• RQ3 低赤方偏移SMG類縁体は、高赤方偏移SMGsおよび他の星形成銀河で観測された同じダスト-ガスラジアンス相関に従うか？
• RQ4 低赤方偏移SMG類縁体における典型的な分子ガス質量およびガス消費 timescale は何か？高赤方偏移SMGsと比較するとどうなるか？
• RQ5 低赤方偏移類縁体における二重ピークCO線プロファイルは、合体の兆候として信頼性高く解釈できるか？それとも、孤立した回転ディスクでも同様のプロファイルを示すのか？

主な発見

• 低赤方偏移SMG類縁体は、孤立した星形成ディスク、相互作用系、赤色および青色の源のグループ化といった多様な形態を示し、高赤方偏移SMGsと同様の多様性を確認した。
• 12CO(2–1)/12CO(1–0)線比はサンプル全体で顕著に変動しており、12CO(1–0)の検出がなければ、J≥2 CO遷移からの分子ガス質量推定は極めて不確実であることを示している。
• サンプルの平均分子ガス質量は約1.6×10¹⁰ M☉であり、個々の質量は約0.9から約2.5×10¹⁰ M☉の範囲に分布しており、高赤方偏移での最も質量の大きなSMGsと一致する。
• 観測された12CO(1–0)検出はきついダスト-ガスラジアンス相関（L′_CO–L_850）に従っており、極端な星形成爆発においてダストと分子ガスの間の普遍的リンクを支持する。
• 同じIRラジアンスであっても、COラジアンスはほぼ1桁の散らばりを示しており、全IRラジアンスとCOラジアンスの間にはややきつい相関ではなく、顕著な散らばりがあることを示している。
• ガス消費 timescale は約100 Myrと推定され、これらの系における現在の星形成活動は一時的で、爆発的活動と整合的である。