[論文レビュー] The ALPINE-ALMA [CII] survey: Molecular gas budget in the Early Universe as traced by [CII]

M. Dessauges‐Zavadsky, M. Ginolfi+33 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 168被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、ALPINE-ALMA調査から得られたz=4.4–5.9の118個の主系列星形成銀河に対して、[C II] 158 μm線輝度を分子ガスのトレーサーとして用い、z∼5.5における分子ガスの消費 timescale が (4.6±0.8)×10⁸ yrであることを特定した。これは局所銀河と比較して僅か2–3倍短いにとどまり、星形成効率のやや高い傾向を示している。ガス分率はz∼3.7より上で63%±3%に平坦化し、予備銀河モデルから、銀河の質量関数に応じてガス分率の進化が異なることが判明。これは、アウトフラウズ、ガス供給の停止、および過剰な星形成が、高赤方偏移における質量の大きな銀河でガス分率の平坦化を維持している要因であることを示唆している。

ABSTRACT

The molecular gas content of normal galaxies at z>4 is poorly constrained, because the commonly used molecular gas tracers become hard to detect. We use the [CII]158um luminosity, recently proposed as a molecular gas tracer, to estimate the molecular gas content in a large sample of main-sequence star-forming galaxies at z=4.4-5.9, with a median stellar mass of 10^9.7 Msun, drawn from the ALMA Large Program to INvestigate [CII] at Early times (ALPINE) survey. The agreement between molecular gas masses derived from [CII] luminosity, dynamical mass, and rest-frame 850um luminosity, extrapolated from the rest-frame 158um continuum, supports [CII] as a reliable tracer of molecular gas in our sample. We find a continuous decline of the molecular gas depletion timescale from z=0 to z=5.9, which reaches a mean value of (4.6+/-0.8)x10^8 yr at z~5.5, only a factor of 2-3 shorter than in present-day galaxies. This suggests a mild enhancement of star formation efficiency toward high redshifts, unless the molecular gas fraction significantly increases. Our estimates show that the rise in molecular gas fraction as reported previously, flattens off above z~3.7 to achieve a mean value of 63%+/-3 over z=4.4-5.9. This redshift evolution of the gas fraction is in line with the one of the specific star formation rate. We use multi-epoch abundance matching to follow the gas fraction evolution over cosmic time of progenitors of z=0 Milky Way-like galaxies in 10^13 Msun halos and of more massive z=0 galaxies in 10^14 Msun halos. Interestingly, the former progenitors show a monotonic decrease of the gas fraction with cosmic time, while the latter show a constant gas fraction from z=5.9 to z~2 and a decrease at z<2. We discuss three possible effects, namely outflows, halt of gas supplying, and over-efficient star formation, which may jointly contribute to the gas fraction plateau of the latter massive galaxies.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移(z=4.4–5.9)の主系列星形成銀河における分子ガス質量を推定すること。COの検出が困難なため、[C II] 158 μm輝度をトレーサーとして用いる。
• [C II]が分子ガストレーサーとしての信頼性を評価すること。得られたガス質量を動的質量およびrest-frame 850 μm輝度と比較する。
• ミルキー・ウェイに似た銀河およびより質量の大きな銀河のz=0における前身銀河の分子ガス分率(f_molgas)の進化を、マルチエポックアバンドアンマッチングを用いてz=5.9からz=0まで追跡すること。
• 高赤方偏移における質量の大きな銀河で観測されたガス分率の平坦化を説明する物理的メカニズム（アウトフラウズ、ガス供給の停止、星形成効率）を調査すること。

提案手法

• ALMA観測から、z=4.4–5.9の118個の星形成銀河における[C II] 158 μm輝度を測定。中央値として星形成銀河の星質量は10⁹.⁷ M☉である。
• 局所銀河および高赤方偏移銀河の両方の補正から得られた[C II]輝度と分子ガス質量(M_molgas)の関係を補正として用い、動的質量および850 μm連続スペクトル輝度と照合して信頼性を検証する。
• Behrooziら(2019)のマルチエポックアバンドアンマッチングを用い、10¹³ M☉および10¹⁴ M☉のハロにおける銀河の星質量進化を追跡し、宇宙時間にわたるガス分率進化を再構築する。
• 観測されたf_molgasの進化を理論的期待値と比較し、低質量および高質量の前身銀河系における赤方偏移依存的挙動を特定する。
• f_molgasが星質量に与える依存性を分析し、z=4.4–5.9において顕著なダウンサイズイング効果が確認された。
• 星形成効率(SFE)、アウトフラウズ、ガス供給の停止が、z>4における質量の大きな銀河で観測されたf_molgasの平坦化を説明するにあたり果たす役割を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 [C II] 158 μm輝度は、高赤方偏移(z=4.4–5.9)の主系列星形成銀河における分子ガスの信頼できるトレーサーとみなせるか？
• RQ2 分子ガスの消費 timescale はz=0からz=5.9にかけてどのように進化するか？また、これは高赤方偏移における星形成効率に何を示唆するか？
• RQ3 z=0におけるミルキー・ウェイに似た銀河(10¹³ M☉ハロ)およびより質量の大きな銀河(10¹⁴ M☉ハロ)の前身銀河の分子ガス分率(f_molgas)の赤方偏移進化はいかなるものか？
• RQ4 なぜ質量の大きな銀河の前身において、z=5.9からz∼2にかけてガス分率がほぼ一定に保たれるのか？この平坦化を説明する物理的メカニズムは何か？
• RQ5 アウトフラウズ、ガス供給の停止、および過剰な星形成が、質量の大きな高赤方偏移銀河で観測されたガス分率の平坦化にどの程度寄与しているか？

主な発見

• [C II]輝度は、動的質量およびrest-frame 850 μm連続スペクトル輝度と強く相関しており、高赤方偏移銀河における分子ガストレーサーとしての信頼性が裏付けられた。
• 分子ガスの消費 timescale はz=0からz=5.9にかけて連続的に短くなり、z∼5.5で平均(4.6±0.8)×10⁸ yrに達する。これは局所銀河と比較して僅か2–3倍短いにとどまる。
• 分子ガス分率(f_molgas)はz=4.4–5.9で63%±3%に平坦化しており、z∼3.7より上ではガス分率の上昇が止まっていることを示している。
• z=0におけるミルキー・ウェイに似た銀河(10¹³ M☉ハロ)の前身銀河は、宇宙時間とともにf_molgasが単調に減少するが、より質量の大きな銀河(10¹⁴ M☉ハロ)の前身銀河は、z=5.9からz∼2にかけてf_molgasが平坦を保ち、z<2で急激に減少する。
• z>4の質量の大きな銀河におけるf_molgasの平坦化は、強い星形成駆動型アウトフラウズ、早期のガス供給の停止、および過剰な星形成の組み合わせによるものであり、シミュレーションおよび観測的証拠で裏付けられている。
• ALPINE銀河におけるf_molgasの大きな散らばり(10%から95%)は、主に星質量に起因し、z=4.4–5.9における質量の大きな銀河から低質量銀河への顕著なダウンサイズ傾向を反映している。