[논문 리뷰] ALMA reveals the molecular gas properties of 5 star-forming galaxies across the main sequence at 3 < z < 3.5

P. Cassata, Daizhong Liu외 18명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 10.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 66인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 3 < z < 3.5의 주성질 시퀀스 별성 형성은 은하 5개에서 ALMA를 통해 CO(5-4) 및 낮은 전이를 검출하여, CO 루미노사티비티와 적외선 원거리 루미노사티비티 사이에 강한 상관관계를 규명하였으며, 이는 CO(5-4)가 은폐된 별성 형성을 추적함을 시사한다. 이 은하는 매우 가스가 풍부하여 분자의 가스 비율이 60–80%이며, 가스 소진 시간이 0.2–1 Gyr로 길며, 유도된 αCO 매개변수는 표준 값인 3.8 M⊙(K km s−1 pc−2)−1과 일치하여 z ∼3.2에서의 첫 번째 직접 관측적 제약 조건을 제공한다.

ABSTRACT

We present the detection of CO(5-4) with S/N> 7 - 13 and a lower CO transition with S/N > 3 (CO(4-3) for 4 galaxies, and CO(3-2) for one) with ALMA in band 3 and 4 in five main sequence star-forming galaxies with stellar masses 3-6x10^10 M/M_sun at 3 < z < 3.5. We find a good correlation between the total far-infrared luminosity LFIR and the luminosity of the CO(5-4) transition L'CO(5-4), where L'CO(5-4) increases with SFR, indicating that CO(5-4) is a good tracer of the obscured SFR in these galaxies. The two galaxies that lie closer to the star-forming main sequence have CO SLED slopes that are comparable to other star-forming populations, such as local SMGs and BzK star-forming galaxies; the three objects with higher specific star formation rates (sSFR) have far steeper CO SLEDs, which possibly indicates a more concentrated episode of star formation. By exploiting the CO SLED slopes to extrapolate the luminosity of the CO(1-0) transition, and using a classical conversion factor for main sequence galaxies of alpha_CO = 3.8 M_sun(K km s^-1 pc^-2)^-1, we find that these galaxies are very gas rich, with molecular gas fractions between 60 and 80%, and quite long depletion times, between 0.2 and 1 Gyr. Finally, we obtain dynamical masses that are comparable with the sum of stellar and gas mass (at least for four out of five galaxies), allowing us to put a first constraint on the alpha_CO parameter for main sequence galaxies at an unprecedented redshift.

연구 동기 및 목표

• 3 < z < 3.5의 주성질 시퀀스 별성 형성 은하의 분자 가스 성질을 측정하고자 하였다. 이 적색편이 영역은 CO 데이터가 흐리게 분포되어 있다.
• 고적색편이 은하에서 은폐된 별성 형성을 위한 CO(5-4)의 신뢰성 있는 추적자로서의 가능성을 시험하고자 하였다.
• 먼지 온도 가정에 대한 의존도를 줄이기 위해 CO 스펙트럼 라인 에너지 분포(SLEDs)를 사용하여 분자 가스 질량을 제약하고자 하였다.
• 주성질 시퀀스 은하에서 z ∼3.2에서 αCO 변환 인자 값을 처음으로 추정하고자 하였다.
• 가스 질량과 역학 질량 추정치의 타당성을 검증하기 위해 역학 질량과 보바론 질량을 비교하고자 하였다.

제안 방법

• ALMA 밴드 3 및 4를 사용하여 3 < z < 3.5의 주성질 시퀀스 은하 5개에서 CO(5-4) 및 낮은 전이(CO(4-3) 또는 CO(3-2))를 타겟으로 하였다.
• VUDS 및 zCOSMOS의 다중 파장 광도 및 스펙트럼 데이터를 활용하여 적색편이, SFR 및 항성 질량을 유도하였다.
• MAGPHYS를 사용하여 SED를 피팅하여 먼지 온도와 적외선 원거리 루미노사티비티를 추정하였다.
• 검출된 전이로부터 CO SLED를 구성하고, SLED 기울기를 사용하여 CO(1-0)로 외삽하여 총 분자 가스 질량을 추정하였다.
• αCO = 3.8 M⊙(K km s−1 pc−2)−1 변환 인자를 적용하여 가스 질량과 소진 timescales을 유도하였다.
• CO 라인 폭에서 유도된 역학 질량을 항성 질량 및 가스 질량과 비교하여 가정의 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z ∼3.2의 주성질 시퀀스 은하에서 CO(5-4)는 은폐된 별성 형성의 신뢰할 수 있는 추적자인가?
• RQ2 이 은하들의 CO SLED 기울기는 국지 별성 형성 집단과 어떻게 비교되며, 별성 형성 집중도에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 CO SLED 외삽에 의한 가스 질량 추정치는 먼지 연속방출 기반 추정치와 얼마나 다를까?
• RQ4 z ∼3.2의 주성질 시퀀스 은하에서 분자 가스 비율과 소진 timescale은 무엇이며, 문헌 값과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 z > 3의 정상 주성질 시퀀스 은하에서 αCO 매개변수를 관측적으로 제약할 수 있는가? (이번 연구가 첫 번째)

주요 결과

• CO(5-4) 루미노사티비티는 적외선 원거리 루미노사티비티(LF IR)와 강하게 상관되며, 이는 고적색편이 주성질 시퀀스 은하에서 CO(5-4)가 은폐된 별성 형성의 강력한 추적자임을 확인한다.
• 주성질 시퀀스에 더 가까운 은하는 국지 BzK 및 SMG 집단과 유사한 CO SLED 기울기를 보이며, 이는 점진적이고 확장된 별성 형성을 시사한다. 더 높은 sSFR을 가진 은하는 더 급격한 SLED 기울기를 보이며, 더 집중적 또는 폭발적 형성 사건을 시사한다.
• 분자 가스 비율은 60%에서 80% 사이이며, z ∼3에서 유사하지만 렌즈 효과를 겪는 은하들과 일치하여 z > 3에서 가스 비율이 정점에 도달함을 지지한다.
• 가스 소진 timescale은 0.2에서 1 Gyr 사이이며, 주성질 시퀀스에 더 가까운 은하에서 더 길며, 이는 sSFR 증가함에 따라 소진 시간가 감소함을 시사한다.
• 역학 질량은 항성 질량과 가스 질량의 합과 유사하며, 다섯 은하 중 네 개에서 일치한다. 이는 질량 추정치의 타당성을 검증하며, 표준 αCO = 3.8 M⊙(K km s−1 pc−2)−1의 사용을 지지한다.
• z ∼3.2에서 αCO 매개변수가 3.8 M⊙(K km s−1 pc−2)−1과 일치함을 관측적으로 제약하였으며, 이는 이 적색편이에서의 첫 번째 직접 관측 제약 조건이다.