[논문 리뷰] Planck's Dusty GEMS. II. Extended [CII] emission and absorption in the Garnet at z=3.4 seen with ALMA

N. P. H. Nesvadba, R. Kneißl외 10명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 04.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 29인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 강한 렌즈 효과를 겪고 있는 먼지가 풍부한 은하 PLCK G045.1+61.1(‘레드진’)의 공간 해상도가 높은 ALMA 관측을 통해 z=3.427에서 이루어졌으며, 주요 CO 성분보다 +350 km s−1 속도에서 처음으로 다른 은하에서 관측된 [CII] 흡수를 포함한 확장된 [CII] 복사가 확인되었다. 이 흡수는 별성 클러스터에서 멀리 떨어진 곳에 위치한 투명하고 자외선으로부터 보호된 기체에서 기인하며, 은하에 유입되는 물질이 우주 필라멘트나 병합 잔해에서 유래했을 가능성이 있으며, 고적색편이 별성 폭발 은하에서 [CII] 복사의 특성에 대한 기존 가정을 도전한다.

ABSTRACT

We present spatially resolved ALMA [CII] observations of the bright (flux density S=400 mJy at 350 microns), gravitationally lensed, starburst galaxy PLCK G045.1+61.1 at z=3.427, the "Garnet". This source is part of our set of "Planck's Dusty GEMS", discovered with the Planck's all-sky survey. Two emission-line clouds with a relative velocity offset of ~600 km/s extend towards north-east and south-west, respectively, of a small, intensely star-forming clump with a star-formation intensity of 220 Msun/yr/kpc^2, akin to maximal starbursts. [CII] is also seen in absorption, with a redshift of +350 km/s relative to the brightest CO component. [CII] absorption has previously only been found in the Milky Way along sightlines toward bright high-mass star-forming regions, and this is the first detection in another galaxy. Similar to Galactic environments, the [CII] absorption feature is associated with [CI] emission, implying that this is diffuse gas shielded from the UV radiation of the clump, and likely at large distances from the clump. Since absorption can only be seen in front of a continuum source, the gas in this structure can definitely be attributed to gas flowing towards the clump. The absorber could be part of a cosmic filament or merger debris being accreted onto the galaxy. We discuss our results also in light of the on-going debate of the origin of the [CII] deficit in dusty star-forming galaxies.

연구 동기 및 목표

• z=3.427에서 강한 렌즈 효과를 겪고 있는 먼지가 풍부한 별성 폭발 은하 PLCK G045.1+61.1(레드진)의 공간 해상도가 높은 [CII] 복사 및 흡수를 조사하기 위해.
• [CII] 흡수로 추적된 투명한 기체의 기원과 물리적 조건을 규명하고, 이는 은하 외부에서 처음으로 관측된 바 있다.
• 관측된 [CII] 분포가 고적색편이 먼지가 많은 별성 형성 은하에서의 [CII] 부족 현상에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 관측된 기체 운동 및 운동량 입력이 별성 폭발로 인한 바람 또는 다른 유입 메커니즘의 존재를 지지하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• ALMA Cycle 2 관측을 통해 0.1초 이하의 해상도로 레드진에서 [CII] 158 μm 복사 및 흡수를 맵핑하였으며, 채널 너비는 87 km s−1였다.
• 스펙트럼 선 복합체를 분석하여 시스템적 적색편이에서 약 600 km s−1만큼 이격된 속도에서 공간적으로 확장된 [CII] 복사 성분을 식별하였다.
• +350 km s−1에서의 [CII] 흡수 특징은 밝은 연속 스펙트럼 소스에서 식별되었으며, 관련된 [CI] 1-0 복사로 인해 이는 투명하고 자외선으로부터 보호된 기체임을 확인하였다.
• 중력 렌즈 증폭을 고려하여 연속 및 선 밝기를 보정하였으며, 증폭 인자는 총 소스 기준 10, 청색 이동 기체 기준 21, 연속 피크 기준 21이었다.
• Heckman 등(2015)에서 제시한 임계 운동량 임계값을 사용하여 운동량 예산 분석을 수행하였으며, 별성 형성에서 입력된 운동량이 바람 탈출에 필요한 값과 비교되었다.
• [CII]/FIR 빛의 비율을 계산하고, 지역 및 고적색편이 샘플과 비교하여 [CII] 부족 현상의 평가를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레드진에서 [CII] 복사의 공간 분포와 운동학적 구조는 어떻게 되며, 강력한 별성 형성 클러스터와 어떤 관련이 있는가?
• RQ2 +350 km s−1에서의 [CII] 흡수 특징의 기원과 물리적 상태는 무엇이며, 은하계 외부의 흡수 특징과 어떻게 다를까?
• RQ3 관측된 [CII] 흡수는 유입 기체에서 기인할 수 있는가? 이는 은하의 유입 역사에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 레드진에서 별성 형성으로 인한 운동량 입력은 바람 탈출에 필요한 임계값을 초과하는가? 이는 피드백 조절에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 레드진의 [CII]/FIR 빛의 비율은 다른 고적색편이 및 지역 별성 형성 은하와 비교해 어떻게 되며, 이는 [CII] 부족 현상에 대해 어떤 통찰을 제공하는가?

주요 결과

• 주 별성 폭발 클러스터에서 대칭적으로 약 600 km s−1만큼 이격된 두 개의 공간적으로 확장된 [CII] 복사 클라우드가 관측되었으며, 이는 복잡한 유출 또는 유입 역학을 시사한다.
• 시스템적 적색편이에서 +350 km s−1에서의 [CII] 흡수 특징은 은하계 외부에서 처음으로 관측되었으며, [CI] 1-0 복사와 연관되어 있어 별성 폭발에서 멀리 떨어진 곳에 위치한 투명하고 자외선으로부터 보호된 기체임을 나타낸다.
• 흡수 기체는 배경 연속 스펙트럼 소스가 필요하므로, 은하로 향하는 필라멘트나 병합 잔해의 일부일 가능성이 높으며, 이는 유입 기하학을 확인한다.
• 별성 형성에서 유래한 운동량 입력(1.9×10³⁶ dyn)은 100 pc 거리에서 바람 탈출에 필요한 임계 운동량 임계값(2×10³⁶ dyn)을 충족하지 못하여 은하에서 탈출하는 바람을 이끌어내기에는 부족하다.
• 레드진의 통합 [CII]/FIR 빛의 비율은 지역 ULIRG 분포의 극단적인 끝부분에 위치하여, 해상도가 낮은 관측이 고적색편이 은하의 진정한 [CII] 특성을 잘못 표현할 수 있음을 시사한다.
• [CII] 복사는 최소 1200 km s−1의 속도 범위를 포함하고 있으나, 넓은 바람 성분에 대한 강력한 증거는 발견되지 않았으며, 이는 고적색편이 별성 폭발 은하에서 [CII]가 이전에 상정한 것보다 더 다양한 기체 상황을 반영할 수 있음을 시사한다.