[論文レビュー] Net-zero gas inflow: Measurement of the gas consumption history of a massive quiescent galaxy

Jan Scholtz, Francesco D’Eugenio+24 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2024

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、深いつちあきALMA観測を用いて、z = 3.064の質量が大きく静止状態にある銀河における分子ガスの最初の直接測定を報告する。その結果、極めて低い分子ガス質量（<10⁹.¹ M⊙）が明らかとなり、ガスが乏しい銀河であることが確認された。データは、ガス流入がほぼゼロであることを示しており、静止状態を維持するには、ガス消費と流入が正確にバランスをとるようなフィードバック機構（排出的または防止的）が作用していたと考えられる。

ABSTRACT

JWST is discovering increasing numbers of quiescent galaxies 1--2 billion years after the Big Bang, whose redshift, high mass, and old stellar ages indicate that their formation and quenching were surprisingly rapid. This fast-paced evolution seems to require that feedback from AGN (active galactic nuclei) be faster and/or more efficient than previously expected \citep{Xie24}. We present deep ALMA observations of cold molecular gas (the fuel for star formation) in a massive, fast-rotating, post-starburst galaxy at $z=3.064$. This galaxy hosts an AGN, driving neutral-gas outflows with a mass-outflow rate of $60\pm20$ M$_{\odot}$ yr$^{-1}$, and has a star-formation rate of $&lt;5.6$ M$_{\odot}$ yr$^{-1}$. Our data reveal this system to be the most distant gas-poor galaxy confirmed with direct CO observations (molecular-gas mass $&lt; 10^{9.1}$ M$_{\odot}$; &lt;0.8 % of its stellar mass). Combining ALMA and JWST observations, we estimate the gas-consumption history of this galaxy, showing that it evolved with net zero gas inflow, i.e., gas consumption by star formation matches the amount of gas this galaxy is missing relative to star-forming galaxies. This could arise both from preventive feedback stopping further gas inflow, which would otherwise refuel star formation or, alternatively, from fine-tuned ejective feedback matching precisely gas inflows. Our methods, applied to a larger sample, promise to disentangle ejective vs preventive feedback.

研究の動機と目的

• z = 3.064における質量が大きく静止状態にある銀河の分子ガス蓄えを測定し、急速な停止理論を検証すること。
• 冷却分子ガスが欠如している原因が、排出的フィードバック（ガスの除去）か、防止的フィードバック（降着の停止）かを特定すること。
• 多波長データを用いて、銀河のガス消費歴を再構築すること。
• AGNフィードバックが初期の大質量銀河におけるガス流出と星形成の停止をどのように駆動しているかを評価すること。

提案手法

• 冷却分子ガスの tracer であるCO(3-2)放射を検出するため、1.2 mm帯で深いつちあきALMA観測を実施した。
• 7時間の積算により、CO(3-2)放射の3σ上限（ICO < 0.033 Jy km s⁻¹）を導出した。
• 標準的なCO-ヘリウム2換算係数（代表的および慎重な補正）を用いて、放射の上限を分子ガス質量に変換した。
• ALMAデータとJWST/NIRSpec MSA観測を統合し、イオン化ガスおよび中性ガスの流出速度、星形成率を測定した。
• ガス質量、星形成率、流出率を比較することで、ガス消費時間スケールおよびネットガス流入率を推定した。
• SEDフィッティングおよび動力学的モデリングを用いて、銀河の星形成質量、年齢、運動学的性質を制約した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z = 3.064におけるこの大質量静止銀河の分子ガス質量はどの程度か？
• RQ2 同赤方偏移における星形成銀河の期待値と比較して、観測されたガス含量はどのように異なるか？
• RQ3 分子ガスが欠如している原因が、AGN駆動の流出による排出的フィードバックか、降着の停止による防止的フィードバックかは何か？
• RQ4 銀河の進化全体を通してのネットガス流入率は何か？ また、星形成率および流出率とどのように関係しているか？
• RQ5 銀河の静止状態は、ガス消費と流入のバランスによって説明できるのか、それとも極めて高いフィードバック効率を要するのか？

主な発見

• GS-10578における分子ガス質量は、95%信頼区間で<10⁹.¹ M⊙に制限され、星形成質量の0.8%未満に相当する。
• この銀河は強力なタイプ2AGNを有しており、中性ガスの質量流出率は60 ± 20 M⊙ yr⁻¹であり、星形成率（<5.6 M⊙ yr⁻¹）を著しく上回っている。
• 星形成率は静止状態と整合的であり、低ガス蓄えは、ガスが乏しい大質量静止銀河の、初期に確認された明確な例の一つであることを確認した。
• ガス消費歴の解析から、ネットガス流入がゼロであることが示され、星形成に消費されたガス量が、星形成銀河と比較して不足している量と一致している。
• 分子ガスが欠如している原因は、ガスを除去する排出的フィードバックまたは降着を停止させる防止的フィードバックによって最もよく説明され、時間的にならびにネット流入がないことが示された。
• この系は、複数の衛星銀河およびLyα発光体を有する複雑な環境にあり、合体駆動の文脈で停止が起こった可能性を示唆している。