[論文レビュー] Measurement of rotation in two galaxies in the Epoch of Reionization from ALMA-detected [CII] emission

Renske Smit, R. J. Bouwens+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、再電離時代における赤方偏移 z > 6.8 の2つの銀河の初回のALMA分光的確認を、[C II] 157.74 μm線放出を用いて行った。これにより、明るく広がった[C II]線が、回転支配の乱流的ディスクとして解釈される明確な速度勾配を示すことが明らかになった。これらの銀河は、z > 6.5 の通常の星形成銀河と比較して[C II]線の等価的放射度が高く、Lyα線放出銀河とは異なる集団であることを示しており、初期銀河形成を調査するための高分解能[C II]動力学の可能性を示している。

ABSTRACT

The earliest galaxies are expected to emerge in the first billion years of the Universe during the Epoch of Reionization. However, both the spectroscopic confirmation of photometrically-selected galaxies at this epoch and the characterization of their early dynamical state has been hindered by the lack of bright, accessible lines to probe the velocity structure of their interstellar medium. We present the first ALMA spectroscopic confirmation of such sources at z > 6 using the far-infrared [C II]{\lambda}157.74{\mu}m emission line, and, for the first time, measurement of the velocity structure, for two galaxies at z = 6.8540+/-0.0003 and z = 6.8076+/-0.0002. Remarkably, the [C II] line luminosity from these galaxies is higher than previously found in `normal' star-forming galaxies at z > 6.5. This suggests that we are sampling a part of the galaxy population different from the galaxies found through detection of the Ly{\alpha} line. The luminous and extended [C II] detections reveal clear velocity gradients that, if interpreted as rotation, would suggest these galaxies have turbulent, yet rotation-dominated disks, with similar stellar-to-dynamical mass fractions as observed for H{\alpha} emitting galaxies 2 Gyr later at cosmic noon. Our novel approach for confirming galaxies during Reionization paves the way for larger studies of distant galaxies with spectroscopic redshifts from ALMA. Particularly important, this opens up opportunities for high angular-resolution [C II] dynamics in galaxies less than one billion years after the Big Bang.

研究の動機と目的

• 再電離時代における宇宙再電離の重要な段階である、赤方偏移 z > 6.8 の高赤方偏移銀河を分光的に確認すること。
• [C II]線放出を用いて、初期銀河の力学的状態を特徴づけること、これはISMの運動学の主要な tracer である。
• Lyαに基づく選別法の限界を克服し、z > 6.5 で明るく[C II]線が強い銀河の別集団を同定すること。
• ビッグバン後10億年以内の銀河の動力学を調査するための高角分解能[C II]分光法の実現可能性を示すこと。

提案手法

• ALMAを用いて、赤方偏移 z = 6.8540±0.0003 および z = 6.8076±0.0002 の2つの銀河における[C II] 157.74 μm線放出を検出し、分光的に確認した。
• [C II]線放出の速度構造を測定し、ISM内の回転運動を推定した。
• [C II]線の等価的放射度と空間的広がりを、同程度の赤方偏移にある既知の星形成銀河と比較した。
• 観測された速度勾配を、回転支配のディスク構造の証拠と解釈し、星形成質量と力学的質量の割合を推定した。
• 高角分解能を用いて運動学的構造を解像し、初期銀河の詳細な力学的モデリングを可能にした。
• [C II]線の赤方偏移測定を用いて、銀河の距離を確認し、Lyα検出に依存しない選別を実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 [C II]線放出を用いて、再電離時代における赤方偏移 z > 6.8 の銀河を分光的に確認できるか？
• RQ2 [C II]線の速度勾配が示す動力学的状態は、初期銀河のものであるか？
• RQ3 これらの銀河の[C II]線の等価的放射度と運動学的性質は、z > 6.5 の通常の星形成銀河と比べてどう異なるか？
• RQ4 これらの銀河は回転支配のディスク構造を示すか？ そして、これは質量割合にどのような意味を持つのか？
• RQ5 [C II]分光法は、Lyα線による選別と比較して、高赤方偏移銀河の別集団を同定できるか？

主な発見

• 赤方偏移 z = 6.8540±0.0003 および z = 6.8076±0.0002 の2つの銀河が、ALMAによる[C II] 157.74 μm線放出の検出により分光的に確認された。
• これらの銀河の[C II]線等価的放射度は、通常の星形成銀河と比較して顕著に高く、別集団であることを示している。
• [C II]線放出に明確な速度勾配が観測されたことから、両銀河に回転支配の乱流的ディスク構造が存在することが示唆された。
• 推定された星形成質量と力学的質量の割合は、ビッグバン後約20億年後の「宇宙の正午」に観測されたHα線放出銀河と一致している。
• 結果として、[C II]分光法が、z > 6.8 の初期宇宙でも銀河の動力学を効果的に調査可能であることが示された。
• 本研究は、ビッグバン後10億年未満の銀河における高分解能[C II]動力学の新しい、実現可能な手法を確立した。