[論文レビュー] Measuring the HI content of individual galaxies out to the epoch of reionization with [CII]

K. E. Heintz, D. Watson+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 174被引用数 50

ひとこと要約

本論文は、γ線バースト後の光を用いた直接校正により、[C II]-H I換算係数を決定し、z ≈6までの個々の高赤方偏移銀河における中性原子水素（H I）質量の最初の信頼できる測定を可能にした。この手法により、z ≈1でH I質量が星形成質量を上回り、赤方偏移とともに増加することが明らかになり、z ∼6でH I割合が約60%に達することが示された。また、宇宙の歴史を通じて、H I質量とガス相金属量の普遍的な逆相関関係が確認された。

ABSTRACT

The HI gas content is a key ingredient in galaxy evolution, the study of which has been limited to moderate cosmological distances for individual galaxies due to the weakness of the hyperfine HI 21-cm transition. Here we present a new approach that allows us to infer the HI gas mass $M_{ m HI}$ of individual galaxies up to $z\approx 6$, based on a direct measurement of the [CII]-to-HI conversion factor in star-forming galaxies at $z\gtrsim 2$ using $\gamma$-ray burst afterglows. By compiling recent [CII]-158 $\mu$m emission line measurements we quantify the evolution of the HI content in galaxies through cosmic time. We find that the HI mass starts to exceed the stellar mass $M_\star$ at $z\gtrsim 1$, and increases as a function of redshift. The HI fraction of the total baryonic mass increases from around $20\%$ at $z = 0$ to about $60\%$ at $z\sim 6$. We further uncover a universal relation between the HI gas fraction $M_{ m HI}/M_\star$ and the gas-phase metallicity, which seems to hold from $z\approx 6$ to $z=0$. The majority of galaxies at $z>2$ are observed to have HI depletion times, $t_{ m dep,HI} = M_{ m HI}/{ m SFR}$, less than $\approx 2$ Gyr, substantially shorter than for $z\sim 0$ galaxies. Finally, we use the [CII]-to-HI conversion factor to determine the cosmic mass density of HI in galaxies, $ ho_{ m HI}$, at three distinct epochs: $z\approx 0$, $z\approx 2$, and $z\sim 4-6$. These measurements are consistent with previous estimates based on 21-cm HI observations in the local Universe and with damped Lyman-$\alpha$ absorbers (DLAs) at $z\gtrsim 2$, suggesting an overall decrease by a factor of $\approx 5$ in $ ho_{ m HI}(z)$ from the end of the reionization epoch to the present.

研究の動機と目的

• 21-cm線の検出は個々の銀河に対してはz ≈0.4までしか可能でないという制限を克服するため、H Iガス含量の代替トレーサーを開発すること。
• ガスの物理的状態に関する仮定を避けるために、高赤方偏移銀河におけるH I質量の直接トレーサーとしての[C II]-158 µm線の発光度を校正すること。
• z ≈6から現在までの銀河におけるH Iガス含量の進化を、金属量や星形成率の依存性を含めて定量化すること。
• 新しい校正を用いて、z ≈0、z ≈2、z ∼4–6における共動的H I質量密度ρHI(z)を測定し、既存の推定値と比較すること。
• 21-cm観測の範囲を超えてH I含量を調べるための[C II]トレーサーの可能性、特に再結合期における可能性を評価すること。

提案手法

• z ≳2の15個のγ線バースト後の光を、X-shooter/VLT分光計を用いて高信噪比で観測し、GRB宿主銀河のISMを通過する線路上でLyman-α吸収によるH I吸収幅とλ1335.7吸収による[C II]*吸収幅を直接測定する。
• GRB宿主銀河のISMを通過する線路上での観測された組成比から、実験的[C II]-H I換算係数β[CII] ≡ MHI / L[CII]を導出する。
• 導出されたβ[CII]校正を、z ≈2–6における既存の[C II]発光銀河サンプルに適用し、個々のH I質量を推定する。
• z ≈0、z ≈2、z ∼4–6における[C II]発光度関数を用いて、ρHI(z) = β[CII] × L[CII](z)により共動的H I質量密度ρHI(z)を計算する。
• 推定されたρHI(z)を、21-cm調査およびダムプド・ライマンアルファ吸収体（DLAs）からの既存の推定値と比較する。
• 宇宙の歴史を通じて、H Iガス割合MHI/M⋆、ガス相金属量12+log(O/H)、H I脱出時定数tdep,HI = MHI/SFRの関係を調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガス状態に関する仮定に依存しない形で、高赤方偏移銀河におけるH I質量のトレーサーとしての[C II]-158 µm線が信頼できるか？
• RQ2 H Iガス質量割合MHI/M⋆はz ≈6からz = 0にかけてどのように進化するか。また、H I質量が星形成質量を上回るのはどの赤方偏移でか？
• RQ3 z ≈6からz = 0にかけて、H Iガス割合とガス相金属量の間には普遍的な関係があるか？
• RQ4 z ≳2におけるH I脱出時定数tdep,HI = MHI/SFRはどの程度で、局所銀河（z ≈0）と比べてどう異なるか？
• RQ5 共動的H I質量密度ρHI(z)はz ∼4–6から現在にかけてどのように進化するか。また、DLAおよび21-cm観測と整合性があるか？

主な発見

• z ≈1でH I質量は星形成質量M⋆を上回り、H I割合MHI/M⋆はz = 0の約20%からz ∼6で約60%に増加する。
• z ≈6からz = 0にかけて、H Iガス割合MHI/M⋆とガス相金属量12+log(O/H)の間には普遍的な逆相関関係が確認された。
• z ≳2の大多数の銀河でH I脱出時定数tdep,HI < 2 Gyrであり、局所銀河（z ≈0）で見られる約5–10 Gyrよりも顕著に短い。
• z ∼4–6における共動的H I質量密度ρHI(z)は1.6+0.5−0.4 × 10⁸ M⊙ Mpc⁻³と測定され、z ≈0の約5倍高く、DLAおよび21-cm推定値と整合的である。
• ρHI(z)の進化は、ρHI(z) = 3 × 10⁷(1 + z)⁰.⁸⁵ M⊙ Mpc⁻³というべき乗関数で最もよく記述され、z = 0におけるH I質量密度は従来の推定値の約2倍低いと予測される。
• z ∼4–6では、H I質量は平均的に全動力学的質量Mdynと整合的であり、H IがISM質量予算を支配しているのに対し、z ≈2では分子ガスの寄与がより顕著である。