[論文レビュー] Planck's Dusty GEMS. II. Extended [CII] emission and absorption in the Garnet at z=3.4 seen with ALMA

N. P. H. Nesvadba, R. Kneißl+10 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2016

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 29被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、赤方偏移 z=3.427 の強力にレンズ効果を受けていたり、ほこりが多くて星形成活発な銀河 PLCK G045.1+61.1（通称「ガーネット」）の空間的に分解された ALMA 観測を行い、2つのドップラー速度がずれた雲で拡張した [CII] 電磁放射を明らかにした。また、他の銀河では初めてとなる、主な CO 成分に対して +350 km s−1 に位置する [CII] 吸収が検出された。この吸収は、星形成クラスタから遠く離れた場所に位置する希薄で紫外線遮蔽されたガスに起因し、宇宙フィラメントや合体の破片からの流入ガスである可能性を示唆しており、高赤方偏移における星形成活発銀河の [CII] 放射に関する従来の仮定に疑問を呈する。

ABSTRACT

We present spatially resolved ALMA [CII] observations of the bright (flux density S=400 mJy at 350 microns), gravitationally lensed, starburst galaxy PLCK G045.1+61.1 at z=3.427, the "Garnet". This source is part of our set of "Planck's Dusty GEMS", discovered with the Planck's all-sky survey. Two emission-line clouds with a relative velocity offset of ~600 km/s extend towards north-east and south-west, respectively, of a small, intensely star-forming clump with a star-formation intensity of 220 Msun/yr/kpc^2, akin to maximal starbursts. [CII] is also seen in absorption, with a redshift of +350 km/s relative to the brightest CO component. [CII] absorption has previously only been found in the Milky Way along sightlines toward bright high-mass star-forming regions, and this is the first detection in another galaxy. Similar to Galactic environments, the [CII] absorption feature is associated with [CI] emission, implying that this is diffuse gas shielded from the UV radiation of the clump, and likely at large distances from the clump. Since absorption can only be seen in front of a continuum source, the gas in this structure can definitely be attributed to gas flowing towards the clump. The absorber could be part of a cosmic filament or merger debris being accreted onto the galaxy. We discuss our results also in light of the on-going debate of the origin of the [CII] deficit in dusty star-forming galaxies.

研究の動機と目的

• 赤方偏移 z=3.427 の高レベルにレンズ効果を受けており、ほこりが多くて星形成活発な銀河 PLCK G045.1+61.1（ガーネット）における空間的に分解された [CII] 放射と吸収を調査すること。
• 銀河外で検出されたことのない、[CII] 吸収によって示される希薄ガスの起源と物理的状態を特定すること。
• 観測された [CII] 分布が、高赤方偏移のほこりが多くて星形成活発な銀河における [CII] 欠損現象に与える意味を評価すること。
• 観測されたガスの運動・運動量の供給が、星形成駆動風の存在または代替的な降着機構を支持するかを評価すること。

提案手法

• ALMA サイクル 2 の観測を用い、0.5 角秒未塔の分解能でガーネットの [CII] 158 μm 放射と吸収をマッピングした。チャンネル幅は 87 km s−1 であった。
• スペクトルライン・キューブを分析して、系統的赤方偏移から約 600 km s−1 ずれたドップラー速度で空間的に拡張した [CII] 放射成分を同定した。
• [CII] 吸収特徴は明るい連続スペクトル源のスペクトルで +350 km s−1 に検出され、[CI] 1-0 放射と関連しており、希薄で紫外線遮蔽されたガスの性質を確認した。
• 重力レンズの増幅効果を考慮して連続スペクトルおよびラインの放射度を補正した。増幅率は、全源で 10、ブルーシフトガスで 21、連続スペクトルピークで 21 であった。
• ヘックマンら (2015) が提示した臨界運動量閾値を用いて運動量予算解析を実施し、星形成からの運動量入力が風が銀河を脱出するのに必要な値を上回るかを比較した。
• [CII]/FIR 細線度比を計算し、局所的および高赤方偏移銀河のサンプルと比較することで、[CII] 欠損の状況を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガーネットにおける [CII] 放射の空間的分布と運動的構造は何か？また、その構造は強力な星形成クラスタとどのように関係しているか？
• RQ2 +350 km s−1 における [CII] 吸収特徴の起源と物理的状態は何か？また、銀河系内吸収特徴とはどのように異なるか？
• RQ3 観測された [CII] 吸収は流入ガスに起因すると考えられるか？その場合、銀河の降着歴にどのような示唆をもたらすか？
• RQ4 星形成による運動量入力は、風が銀河を脱出するのに必要な臨界閾値を上回っているか？その結果、フィードバックの制御機構にどのような意味を持つか？
• RQ5 ガーネットの [CII]/FIR 細線度比は、他の高赤方偏移および局所の星形成銀河と比較してどう異なるか？この差は [CII] 欠損現象にどのような情報をもたらすか？

主な発見

• 主な星形成クラスタから対称的に約 600 km s−1 ずれた位置に、2つの空間的に拡張した [CII] 放射雲が検出され、複雑な噴出または流入の力学を示唆している。
• 銀河外で初めて、系統的赤方偏移に対して +350 km s−1 に位置する [CII] 吸収特徴が検出された。この吸収は [CI] 1-0 放射と関連しており、星形成クラスタから遠く離れた場所に位置する希薄で紫外線遮蔽されたガスを示している。
• 吸収ガスは、背景の連続スペクトル源が存在する必要があるため、銀河に向かって流れ込むフィラメントまたは合体破片の一部である可能性が高く、流入の幾何的構造が確認された。
• 星形成による運動量入力（1.9×10³⁶ dyn）は、100 pc の距離で風が銀河を脱出するのに必要な臨界運動量閾値（2×10³⁶ dyn）を下回っており、風駆動は成立しない。
• ガーネットの統合 [CII]/FIR 細線度比は、局所の ULIRG の分布の極端な端に位置しており、解像度が低い観測では高赤方偏移銀河の真の [CII] 特性を正しく反映できない可能性を示唆している。
• [CII] 放射は少なくとも 1200 km s−1 のドップラー速度にわたり拡張しているが、広帯域の風成分の強い証拠は得られず、高赤方偏移の星形成活発銀河における [CII] 放射が、従来想定されていたよりも多様なガス相を示している可能性を示唆している。