[논문 리뷰] Measurement of rotation in two galaxies in the Epoch of Reionization from ALMA-detected [CII] emission

Renske Smit, R. J. Bouwens외 10명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 14.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 대역전환기 동안 z > 6.8인 두 갈axy의 첫 번째 ALMA 스펙트로스코픽 확인을 [C II] 157.74 μm 복사로 수행하였다. 이는 밝고 확장된 [C II] 선을 보이며, 명확한 속도 기울기를 보이는 회전 주도의 난류 디스크로 해석된다. 이 갈axy들은 z > 6.5인 일반적인 항성 형성 갈axy보다 더 높은 [C II] 선 빛의 세기를 보이며, Lyα 복사 갈axy와는 다를 만한 집단임을 시사한다. 또한 높은 해상도의 [C II] 역학을 이용해 초기 갈axy 형성의 탐색이 가능함을 보여준다.

ABSTRACT

The earliest galaxies are expected to emerge in the first billion years of the Universe during the Epoch of Reionization. However, both the spectroscopic confirmation of photometrically-selected galaxies at this epoch and the characterization of their early dynamical state has been hindered by the lack of bright, accessible lines to probe the velocity structure of their interstellar medium. We present the first ALMA spectroscopic confirmation of such sources at z > 6 using the far-infrared [C II]{\lambda}157.74{\mu}m emission line, and, for the first time, measurement of the velocity structure, for two galaxies at z = 6.8540+/-0.0003 and z = 6.8076+/-0.0002. Remarkably, the [C II] line luminosity from these galaxies is higher than previously found in `normal' star-forming galaxies at z > 6.5. This suggests that we are sampling a part of the galaxy population different from the galaxies found through detection of the Ly{\alpha} line. The luminous and extended [C II] detections reveal clear velocity gradients that, if interpreted as rotation, would suggest these galaxies have turbulent, yet rotation-dominated disks, with similar stellar-to-dynamical mass fractions as observed for H{\alpha} emitting galaxies 2 Gyr later at cosmic noon. Our novel approach for confirming galaxies during Reionization paves the way for larger studies of distant galaxies with spectroscopic redshifts from ALMA. Particularly important, this opens up opportunities for high angular-resolution [C II] dynamics in galaxies less than one billion years after the Big Bang.

연구 동기 및 목표

• 우주 재이온화의 핵심 단계인 대역전환기 동안 z > 6.8인 고적색계 갈axy를 스펙트로스코픽으로 확인하는 것.
• [C II] 복사, 즉 간성간 매질 운동의 핵심 추적자인 것을 이용해 초기 갈axy의 역학 상태를 특성화하는 것.
• Lyα 기반 선택의 한계를 극복하기 위해 z > 6.5에서 밝고 [C II]-밝은 갈axy의 별개 집단을 식별하는 것.
• 빅뱅 이후 첫 10억 년 동안 갈axy 역학을 탐색하기 위해 고각해상도 [C II] 스펙트로스코피의 가능성을 입증하는 것.

제안 방법

• ALMA를 사용하여 z = 6.8540±0.0003 및 z = 6.8076±0.0002에 위치한 두 갈axy에서 [C II] 157.74 μm 복사 선을 탐지하고 스펙트로스코픽으로 확인하였다.
• [C II] 복사 선의 속도 구조를 측정하여 간성간 매질 내의 회전 역학을 추론하였다.
• [C II] 선 빛의 세기와 공간적 확장을 측정하여 유사 적색계의 알려진 항성 형성 갈axy와 비교하였다.
• 관측된 속도 기울기를 회전 주도의 디스크로 해석하고, 항성 대 역학 질량 비율을 추정하였다.
• 고각해상도를 적용하여 운동학적 구조를 해체하고, 초기 갈axy의 세밀한 역학 모델링을 가능하게 하였다.
• [C II] 복사에서의 적색계 측정을 통해 갈axy의 거리와 Lyα 탐지와 무관하게 소스를 선별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 [C II] 복사로 대역전환기 동안 z > 6.8인 갈axy를 스펙트로스코픽으로 확인할 수 있는가?
• RQ2 [C II] 속도 기울기를 통해 드러나는 초기 갈axy의 역학 상태는 어떠한가?
• RQ3 이 갈axy들의 [C II] 빛의 세기와 운동학은 z > 6.5인 일반적인 항성 형성 갈axy와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 이 갈axy들은 회전 주도의 디스크 구조를 보이며, 이는 질량 비율에 대해 어떤 함의를 지니는가?
• RQ5 [C II] 스펙트로스코피는 Lyα 탐지로 선택된 갈axy와 비교해 고적색계 갈axy의 별개 집단을 식별할 수 있는가?

주요 결과

• z = 6.8540±0.0003 및 z = 6.8076±0.0002에 위치한 두 갈axy는 ALMA를 통한 [C II] 157.74 μm 복사 탐지로 스펙트로스코픽으로 확인되었다.
• 이 갈axy들의 [C II] 선 빛의 세기는 z > 6.5인 일반적인 항성 형성 갈axy에서 관측되는 것보다 높으며, 별개의 집단임을 시사한다.
• [C II] 복사에서 관측된 명확한 속도 기울기는 양 갈axy 모두에서 회전 주도의 난류 디스크가 존재함을 시사한다.
• 추정된 항성 대 역학 질량 비율은 우주의 정점(20억 년 후)에서 관측된 Hα 복사 갈axy와 일치한다.
• 결과적으로 [C II] 스펙트로스코피는 z > 6.8에서도 초기 우주에서 갈axy 역학을 성공적으로 탐색할 수 있음을 보여준다.
• 이 연구는 빅뱅 이후 10억 년 미만의 갈axy에서 고해상도 [C II] 역학을 위한 새로운 타당한 방법을 확립한다.