[論文レビュー] The ALPINE-ALMA [CII] survey: Survey strategy, observations and sample properties of 118 star-forming galaxies at $4<z<6$

O. Le Fèvre, M. Béthermin+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 3被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、赤方偏移4 < z < 6の118個の星形成銀河を観測する大型プログラムとしてALPINE-ALMA [CII]調査を提示する。[CII] 158µm線放出とFIR連続スペクトルに注目し、S/N > 3.5の条件下で64%の検出率を達成。40%が合体銀河、20%が速度分散支配、13%が回転円盤と多様な構造を示し、銀河合体が初期質量集積段階における通常のメインシーケンス銀河において、一時的な星形成爆発とは別に、主要なプロセスであることが示された。

ABSTRACT

The ALMA-ALPINE [CII] survey is aimed at characterizing the properties of a sample of normal star-forming galaxies (SFGs). The ALMA Large Program to INvestigate (ALPINE) features 118 galaxies observed in the [CII]-158$\mu$m line and far infrared (FIR) continuum emission during the period of rapid mass assembly, right after the end of the HI reionization, at redshifts of 4<z<6. We present the survey science goals, the observational strategy, and the sample selection of the 118 galaxies observed with ALMA, with an average beam minor axis of about 0.85 arcsec, or $\sim$5 kpc at the median redshift of the survey. The properties of the sample are described, including spectroscopic redshifts derived from the UV-rest frame, stellar masses, and star-formation rates obtained from a spectral energy distribution (SED) fitting. The observed properties derived from the ALMA data are presented and discussed in terms of the overall detection rate in [CII] and FIR continuum, with the observed signal-to-noise distribution. The sample is representative of the SFG population in the main sequence at these redshifts. The overall detection rate in [CII] is 64% for a signal-to-noise ratio (S/N) threshold larger than 3.5 corresponding to a 95% purity (40% detection rate for S/N>5). Based on a visual inspection of the [CII] data cubes together with the large wealth of ancillary data, we find a surprisingly wide range of galaxy types, including 40% that are mergers, 20% extended and dispersion-dominated, 13% compact, and 11% rotating discs, with the remaining 16% too faint to be classified. This diversity indicates that a wide array of physical processes must be at work at this epoch, first and foremost, those of galaxy mergers. This paper sets a reference sample for the gas distribution in normal SFGs at 4<z<6.

研究の動機と目的

• 4 < z < 6という銀河質量集積の重要な時期における、通常の星形成銀河（SFGs）の[CII]およびFIR特性を特徴づけること。
• これまでの調査で高SFRシステムに偏った統計的に有意な観測が不足している、高赤方偏移における通常のSFGs（極端な星形成爆発ではないもの）の観測を補完すること。
• JWSTやELTの観測に備えて、初期銀河におけるガス分布および物理的プロセスを研究するための基準サンプルを確立すること。
• ALMAの[CII]データと多波長補助データを組み合わせ、視覚的検査を用いて銀河の形態と運動学的分類を行い、さまざまな物理的プロセスの多様性を明らかにすること。
• z ~ 4.7における通常のSFGsにおける銀河合体の役割を定量化し、合体が星形成爆発と関連するだけではないという仮定に疑問を呈すること。

提案手法

• 赤方偏移z ~ 4–6におけるメインシーケンス上に位置する銀河を保証するため、UVリスフォール波長域のスペクトロスコピック赤方偏移とSEDフィッティングから得たSFRを用いた標的選定。
• Band 6（1.3 mm）におけるALMA観測により、[CII] 158µm線放出とFIR連続スペクトルを検出。通常の beam サイズは約0.85′′（中央赤方偏移での距離換算で約5 kpc）。
• De Loozeら（2014）の[CII]輝度–SFR関係を用い、検出可能性を予測。L[CII] > 1.2 × 10⁸ L⊙を満たす銀河を選別。
• 空間的および運動学的構造を解析するため、速度積分[CII]フラックスマップと速度チャンネルマップを作成。
• [CII]データキューブ、HST画像（F814W）および補助データを用いた視覚的検査により、銀河の形態・運動学的分類を実施。主に4つのクラスに分類：合体銀河、速度分散支配、回転円盤、コンパクト構造。
• 検出率、S/N分布、形態的割合の統計的分析により、サンプルの代表性および物理的プロセスの広がりを評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 通常の星形成銀河における[CII]の検出率は4 < z < 6でどの程度で、理論的予想と比較してどうなるか？
• RQ2 z ~ 4.7における通常のSFGsの形態的・運動学的多様性は何か？ これは質量集積を駆動する支配的物理的プロセスにどのような示唆を与えるか？
• RQ3 これらの銀河の[CII]およびFIR特性は、局所銀河や高SFR星形成爆発銀河と比較してどのように異なるか？
• RQ4 z ~ 4.7における銀河合体はメインシーケンスSFGsとどの程度関連しているか？ これは通常の星形成における合体の役割にどのような示唆を与えるか？
• RQ5 ALPINEサンプルはこの赤方偏移におけるSFGsの広範な集団をどの程度代表しているか？ 今後のJWSTおよびELT観測における有用性は？

主な発見

• S/N > 3.5の閾値で[CII]の全体的な検出率は64%であり、95%の純度を示す。S/N > 5の条件では検出率が40%に低下する。
• FIR連続スペクトルの検出率は21%であり、サンプルの顕著な割合がサブミリ波長でも明るいことを示している。
• 40%の銀河が合体と分類され、これはz ~ 4.7におけるメインシーケンス上に位置する通常のSFGsでさえ、主な合体（大規模および小規模）が支配的な物理的プロセスであることを示している。
• 20%が広がった速度分散支配銀河、13.3%が回転円盤、10.7%がコンパクト構造であり、16%は分類不能なほど弱い。これにより、広範な形態的・運動学的多様性が明らかになった。
• 一部の系に広がった[CII]ネビュラが存在することは、再イオン化直後に星形成を駆動する冷たいガスの大きな貯留源が利用可能であった可能性を示唆している。
• 形態的および運動学的多様性は、特に銀河合体を含む複数の物理的プロセスが、この初期段階で銀河集積を形作っていることを示しており、合体が星形成爆発系に特有であるという見方を覆すものである。