[論文レビュー] Resolving the Interstellar Medium at the Peak of Cosmic Star Formation

G. Calistro Rivera, Jacqueline Hodge|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、赤方偏移 z ~ 2.5 の4つの準ミリ波銀河において、高分解能 ALMA 観測を用いて分子ガス（CO J=3–2）とチリ連続放射の放出を解像し、ガス、チリ、星形成成分の間で顕著なずれを明らかにした。主な発見は、チリとガスの間の見かけ上のサイズ差が物理的であるとは限らず、温度勾配や光学濃度勾配に起因する可能性があることである。これは、高赤方偏移銀河のエネルギー収支モデルにおける仮定を揺るがすものである。

ABSTRACT

The interstellar medium feeds both the formation of stars and the growth of black holes, making it a key ingredient in the evolution of galaxies. With the advent of the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), we can now probe the interstellar medium within high-redshift galaxies in increasingly exquisite detail. Our recent ALMA observations map the molecular gas and dust continuum emission in submillimetre-selected galaxies on 1–5 kpc scales, revealing significant differences in how the gas, dust continuum, and existing stellar emission are distributed within the galaxies. This study demonstrates the power of ALMA to shed new light on the structure and kinematics of the interstellar medium in the early Universe, suggesting that the interpretation of such observations is more complex than typically assumed.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移準ミリ波銀河における分子ガスおよびチリの空間的分布と運動学を調査すること。
• 高赤方偏移銀河研究における標準的仮定の妥当性を検証すること、特にガス、チリ、星の位置が一致することを仮定すること。
• チリ連続放射のサイズが分子ガスサイズの代理としてどれほど信頼できるかを評価すること。
• 初期宇宙における銀河の性質に依存する CO から H2 への換算係数（αCO）を制約すること。
• 温度および光学濃度勾配が観測されたガスとチリの放出の形態的差異に与える影響を評価すること。

提案手法

• 赤方偏移 z ~ 2.5 の4つの ALESS SMG に対して、高分解能（0.5角秒未塔）の ALMA バンド3観測を実施し、CO(3–2)放射を測定した。
• ハッブル WFC3/ACS イメージングと組み合わせて、星光およびチリ連続放射の分布を取得した。
• 3次元運動論的モデリング（Galpak3D）を用いてガスの運動学を再構築し、動的質量を推定した。
• 画像ベースのオフセット解析を実施し、ガス、チリ、星の空間的分布を比較した。
• 半径方向に減少する温度および光学濃度勾配を仮定した放射輸送モデリングを用いて、観測された SED プロファイルを再現した。
• αCO と星形成質量対光度比の相関関係を調査し、ガス質量の補正誤差を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移準ミリ波銀河において、分子ガス、チリ、星形成成分はどの程度空間的に一致しているか？
• RQ2 温度および光学濃度勾配は、チリ連続放射と分子ガス放出の間の見かけ上のサイズ差にどのように影響するか？
• RQ3 チリとガスの見かけ上のずれは、物理的分離ではなく物理的勾配によって説明可能か？
• RQ4 これらの空間的ずれは、高赤方偏移銀河における標準的エネルギー収支モデルにどのような影響を及えるか？
• RQ5 動的質量測定において、チリ連続放射のサイズは分子ガスサイズの信頼できる代理変数とみなせるか？

主な発見

• CO(3–2)放射は、1ソースあたり30分の ALMA 積分時間で検出され、解像された。赤方偏移のスペクトロスコピック確認と、チリ連続放射と空間的一致が確認された。
• ALESS 122.1 では、COガスは星形成分布と重複しているが、チリ放射は両者からずれており、チリと星の間で分離していることが示された。
• チリ連続放射は分子ガスと空間的に一致しており、両者がISMを示すと予想される。
• コンパクトなチリと拡張したガスの見かけ上のサイズ差は、強い温度勾配および光学濃度勾配を持つ放射輸送モデルで再現可能である。
• CO から H2 への換算係数（αCO）は、銀河の性質に依存して大きく、ミルキーウェイの値（αCO ~ 4）よりも顕著に高いことが判明した。また、星形成質量対光度比と強い相関を示した。
• これらの結果は、高赤方偏移銀河研究における、成分の一致や一定のガス対チリ比を仮定する標準的仮定が、顕著なバイアスを引き起こす可能性があることを示唆している。