[論文レビュー] The ALMA-ALPAKA survey I: high-resolution CO and [CI] kinematics of star-forming galaxies at z = 0.5-3.5

Francesca Rizzo, Fernanda Roman-Oliveira+14 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2023

Spectroscopy and Laser Applications参考文献 8被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、アーカイブALMAデータを用いて、z = 0.5–3.5の28個の星形成銀河におけるCOおよび[CI]線放出の高分解能運動論的解析であるALPAKA調査を提示する。19/28の銀河が高いV/σ比（中央値9⁺⁷₋₂）を示しており、秩序ある運動を示しており、大規模で高赤方偏移の銀河における空間的に分解された冷たいガス運動論の最大のサンプルを提供している。

ABSTRACT

Spatially-resolved studies of the kinematics of galaxies provide crucial insights into their assembly and evolution, enabling to infer the properties of the dark matter halos, derive the impact of feedback on the ISM, characterize the outflow motions. To date, most of the kinematic studies at z=0.5-3.5 were obtained using emission lines tracing the warm, ionized gas. However, whether these provide an exhaustive or only a partial view of the dynamics of galaxies and of the properties of the ISM is still debated. Complementary insights on the cold gas kinematics are therefore needed. We present ALPAKA, a project aimed at gathering high-resolution observations of CO and [CI] emission lines of star-forming galaxies at z=0.5-3.5 from the ALMA public archive. With 147 hours of total integration time, ALPAKA assembles ~0.25'' observations for 28 star-forming galaxies, the largest sample with spatially-resolved cold gas kinematics as traced by either CO or [CI] at z>0.5. By combining multi-wavelength ancillary data, we derive the stellar masses ($M_{\star}$) and star-formation rates (SFR) for our targets, finding values of $M_{\star}\gtrsim 10^{10}$ M$_{\odot}$ and SFR of 10-3000 M$_{\odot}$/yr. A large fraction of ALPAKA galaxies (19/28) lie in overdense regions (clusters, groups, and protoclusters). We exploit the ALMA data to infer their dynamical state and we find that 19/28 ALPAKA galaxies are rotating disks, 2 are interacting systems, while for the remaining 7 sources the classification is uncertain. The disks have velocity dispersion values that are typically larger in the innermost regions than in the outskirts, with a median value for the entire disk sample of 35$^{+11}_{-9}$ km/s. Despite the bias of our sample towards galaxies hosting very energetic mechanisms, the ALPAKA disks have high ratios of ordered-to-random motion ($V/σ$) with a median value of 9$^{+7}_{-2}$.

研究の動機と目的

• アーカイブALMAデータを用いて、z = 0.5–3.5の星形成銀河における冷たいガス運動論の大きな高分解能サンプルを構築すること。
• COおよび[CI]線放出を冷たいガス運動論の tracer として用いて、高赤方偏移銀河の力学的状態を分析すること。
• 既存の温いガス tracer（例：Hα）と比較することで、銀河進化研究における運動論診断の完全性を評価すること。
• 高赤方偏移における活発に星形成が進行する大規模銀河の運動論的構造を形づくるフィードバック、降着、環境の役割を調査すること。

提案手法

• 公的アーカイブからCOおよび[CI]線放出の高分解能ALMA観測を収集・再処理し、空間分解能を約0.25角秒に達成した。
• 28個の標的銀河の星族質量（M⋆）および星形成率（SFR）を導出するために、ALMAデータと多波長の地上および宇宙望遠鏡の補助データを統合した。
• 3D Baroloを適用して運動論をモデリングし、COおよび[CI]線放出立方体から回転曲線および速度分散プロファイルを導出した。
• 力学的診断を用いて、運動論的形態に基づき、回転ディスク、相互作用系、または不明なケースに銀河を分類した。
• ディスク銀河のV/σおよびσの中央値を計算し、星間媒体内の秩序ある運動と乱流の程度を定量化した。
• すべてのデータ立方体および運動論的プロファイルを公開し、コミュニティ全体による今後の研究を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 冷たいガス運動論をtracerとして用いた場合、z = 0.5–3.5の巨大星形成銀河の力学的状態はいかなるものか？
• RQ2 高赤方偏移ディスク銀河の速度分散プロファイルおよびV/σ比は、局所銀河や宇宙論的シミュレーションと比べてどのように異なるか？
• RQ3 Hαなどの温いガスtracerが、COや[CI]などの冷たいガスtracerと比較して、銀河運動論の完全な画像を提供する程度はどの程度か？
• RQ4 環境の過密度（銀河団、グループ、原始団）は、高赤方偏移星形成銀河の運動論的構造にどのように影響を与えるか？
• RQ5 観測された運動論的性質が、滑らかなガス降着、フィードバック、およびダークマターハロー構造の役割に与える意味は何か？

主な発見

• ALPAKA調査は、z ≥ 0.5の星形成銀河における空間的に分解された冷たいガス運動論の最大のサンプルを提供しており、28個の銀河が約0.25角秒の分解能で観測された。
• 28個中19個の銀河が回転ディスクに分類され、大規模で高赤方偏移系の銀河において秩序ある回転運動が支配的であることを示している。
• ディスク銀河のV/σ比の中央値は9⁺⁷₋₂であり、エネルギー的なフィードバック機構が存在する銀河でさえも、ランダム運動に比べて強く秩序ある運動が支配的であることを示している。
• ディスクサンプルの平均速度分散（σ）は35⁺¹¹₋₉ km s⁻¹であり、内側領域で高い値を示しており、中心部に高い乱流が存在することを示唆している。
• サンプルの大部分（19/28）が過密度環境に存在しており、環境的要因が運動論的構造に影響を与える可能性があるが、これはさらなる研究を要する。
• 調査のデータ立方体および運動論的プロファイルは公開されており、今後の高赤方偏移銀河における冷たいガス力学およびフィードバック研究のためのレガシーリソースを確立している。