[논문 리뷰] ALMA as a Redshift Machine: Using [CII] to Efficiently Confirm Galaxies in the Epoch of Reionization

Sander Schouws, R. J. Bouwens외 12명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 08.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 [CII] 158μm 선을 대상으로 한 ALMA 스펙트럼 스캔이 z~7에서 고적색 이동을 가진 은하를 효율적으로 광학적으로 확인할 수 있음을 보여주며, 광도가 높은 라이만 브레이크 은하 6개 중 50%에서 [CII] 복사선을 검출한다. 검출된 [CII] 복사선 강도(5.6–8.8×10⁸ L☉)는 국소 [CII]-SFR 관계와 일치하며, 운동학적 다양성은 회전, 융합, 덩어리로 된 별 형성 구조를 드러낸다.

ABSTRACT

The [CII]$_{158μm}$ line has long been proposed as a promising line to spectroscopically confirm galaxies in the epoch of reionization. In this paper we present the results of new ALMA observations spectral scanning for [CII] in six particularly luminous Lyman Break Galaxies at $z\sim7$. The six sources were drawn from a sample of bright $z\sim7$ galaxies identified using the wide-area optical, near-IR, and Spitzer/IRAC data over the COSMOS/UltraVISTA field and were targeted on the basis of tight constraints on their redshifts from their IRAC [3.6]-[4.5] colors. We detect significant ($>9σ$) [CII] lines in three of our six targets ($50\%$) co-spatial with the rest-$UV$ emission from the ground/space-based near-IR imaging. The luminosities of the [CII] lines lie in the range $5.6$ to $8.8 imes10^{8}L_{\odot}$, consistent with the local [CII]-SFR relation. Meanwhile, their [CII]/$L_{IR}\sim1-3 imes10^{-3}$ ratios are slightly elevated compared to local (U)LIRGS. This could be due to lower dust-to-gas or dust-to-metal ratios. We also find that our sources display a large kinematic diversity, with one source showing signs of rotation, one source a likely major merger and one dispersion dominated source that might contain a bright star-forming clump. Our results highlight the effectiveness of spectral scans with ALMA in spectroscopically confirming luminous galaxies in the epoch of reionization, something that is being be applied on a significantly larger sample in the on-going REBELS large program.

연구 동기 및 목표

• z~7에서 고적색 이동을 가진 은하를 [CII] 158μm 선을 이용해 ALMA 스펙트럼 스캔으로 광학적으로 확인하는 데서의 효과성을 시험하기 위해.
• 광도가 높은 z~7 은하에서 [CII] 복사선이 국소 [CII]-SFR 관계와 일치하는지 평가하기 위해.
• 운동학적 구조를 [CII] 선 형상과 속도 프로파일을 분석하여 고적색 이동 은하의 특성을 탐구하기 위해.
• 이전 ALMA 설문 조사에서 라이만 α 복사선을 방출하는 은하를 선호함으로써 발생하는 선별 편향의 영향을 평가하기 위해.
• IRAC [3.6]-[4.5] 색소를 사용해 정확한 광학적 적색 이동을 추정하는 데 있어 [CII] 복사선 강도가 높은 후보자를 선별하는 데의 유용성을 검증하기 위해.

제안 방법

• IRAC [3.6]-[4.5] 색소를 통해 광학적 적색 이동이 정밀하게 결정된 COSMOS/UltraVISTA 및 Spitzer/IRAC 데이터에서 선별된 6개의 광도가 높은 z~7 라이만 브레이크 은하를 대상으로 하였다.
• z~7에서의 적색 이동된 복사선을 탐지하기 위해 [CII] 158μm 선 중심에 깊은 ALMA 스펙트럼 스캔을 수행하였다.
• 안정적인 [CII] 검출를 정의하기 위해 9σ 유의수준 기준을 사용하였으며, HST/Spitzer 이미징으로부터의 휴머니티 영역 복사선과의 공간적 일치를 통해 교차 검증하였다.
• [CII] 복사선 강도를 측정하고 국소 [CII]-SFR 관계와 비교하여 별 형성 효율을 평가하였다.
• [CII]/LIR 비율을 校정하여 국소 (U)LIRG와 비교해 먼지-가스 비율 및 먼지-중금속 비율을 평가하였다.
• [CII] 선 프로파일을 분석하여 운동학적 구조를 추론: 회전, 융합, 확산 주도 성분.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRAC [3.6]-[4.5] 색소를 통해 선별된 광도가 높은 z~7 은하에서 ALMA 스펙트럼 스캔이 [CII] 복사선을 성공적으로 검출할 수 있는가?
• RQ2 고SFR를 가진 z~7 은하의 [CII] 복사선 강도는 국소 [CII]-SFR 관계와 일치하는가?
• RQ3 z~7 은하의 [CII]/LIR 비율은 국소 (U)LIRG와 일치하는가, 아니면 먼지-가스 비율 또는 먼지-중금속 비율이 낮음을 시사하는가?
• RQ4 [CII] 선 프로파일을 통해 고적색 이동 은하에서 드러나는 운동학적 구조(예: 회전, 융합, 덩어리)는 무엇인가?
• RQ5 라이만 α 복사선이 아닌 강한 IRAC 색소를 가진 은하를 대상으로 하는 것이 z~7에서 [CII] 검출 효율을 향상시키는가?

주요 결과

• ALMA는 타겟으로 삼은 z~7 은하 6개 중 3개에서 >9σ의 유의미한 [CII] 복사선을 검출하여 이 샘플에서 50%의 검출율을 확보하였다.
• [CII] 복사선 강도는 5.6×10⁸에서 8.8×10⁸ L☉ 사이였으며, 국소 [CII]-SFR 관계와 일치하여 정상적인 별 형성 효율을 나타낸다.
• [CII]/LIR 비율은 1–3×10⁻³이었으며, 국소 (U)LIRG보다 略로 높아 먼지-가스 비율 또는 먼지-중금속 비율이 낮음을 시사한다.
• 운동학적 분석을 통해 다양한 구조가 드러났다: 한 은하는 회전의 흔적을 보였고, 한 은하는 주요 융합의 특징을 보였으며, 한 은하는 확산 주도 구조를 보였으며, 뚜렷한 별 형성 덩어리가 존재할 가능성이 있다.
• 이 샘플에서 [CII] 검출 성공은 광도가 높고 광학적으로 잘 규명된 은하를 대상으로 하는 전략이 라이만 α 복사선을 방출하는 은하를 대상으로 하는 것보다 검출 수확률을 높일 수 있음을 지지한다.
• 결과는 ALMA 스펙트럼 스캔이 고적색 이동 은하를 확인하는 데 효율적인 방법임을 검증하며, 이는 현재 더 큰 REBELS 설문 조사에서 적용되고 있다.