[논문 리뷰] The ALPINE-ALMA [CII] survey: Molecular gas budget in the Early Universe as traced by [CII]

M. Dessauges‐Zavadsky, M. Ginolfi외 33명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 22.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 168인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 ALPINE-ALMA 조사에서 z=4.4–5.9의 주계열 성간 형성은 우주에서 118개의 은하에서 [C II] 158 μm 복사로 분자의 가스를 추적하여, z∼5.5에서 분자의 가스 소진 시간 상한이 (4.6±0.8)×10⁸ yr임을 발견하였다—지역 은하보다 단지 2–3배 짧을 뿐이므로, 별 형성 효율의 경미한 향상이 나타남을 시사한다. 63%±3%의 가스 분율은 z∼3.7 이상에서 평탄해지며, 조상 모델링은 은하수형 유사 은하와 더 무거운 궤도에서의 가스 분율 변화가 다름을 드러내어, 외부 유동, 가스 공급 정지, 과잉 효율적인 별 형성의 공존이 고적색 은하에서 고정된 평탄한 분율을 유지하는 데 기여함을 시사한다.

ABSTRACT

The molecular gas content of normal galaxies at z>4 is poorly constrained, because the commonly used molecular gas tracers become hard to detect. We use the [CII]158um luminosity, recently proposed as a molecular gas tracer, to estimate the molecular gas content in a large sample of main-sequence star-forming galaxies at z=4.4-5.9, with a median stellar mass of 10^9.7 Msun, drawn from the ALMA Large Program to INvestigate [CII] at Early times (ALPINE) survey. The agreement between molecular gas masses derived from [CII] luminosity, dynamical mass, and rest-frame 850um luminosity, extrapolated from the rest-frame 158um continuum, supports [CII] as a reliable tracer of molecular gas in our sample. We find a continuous decline of the molecular gas depletion timescale from z=0 to z=5.9, which reaches a mean value of (4.6+/-0.8)x10^8 yr at z~5.5, only a factor of 2-3 shorter than in present-day galaxies. This suggests a mild enhancement of star formation efficiency toward high redshifts, unless the molecular gas fraction significantly increases. Our estimates show that the rise in molecular gas fraction as reported previously, flattens off above z~3.7 to achieve a mean value of 63%+/-3 over z=4.4-5.9. This redshift evolution of the gas fraction is in line with the one of the specific star formation rate. We use multi-epoch abundance matching to follow the gas fraction evolution over cosmic time of progenitors of z=0 Milky Way-like galaxies in 10^13 Msun halos and of more massive z=0 galaxies in 10^14 Msun halos. Interestingly, the former progenitors show a monotonic decrease of the gas fraction with cosmic time, while the latter show a constant gas fraction from z=5.9 to z~2 and a decrease at z<2. We discuss three possible effects, namely outflows, halt of gas supplying, and over-efficient star formation, which may jointly contribute to the gas fraction plateau of the latter massive galaxies.

연구 동기 및 목표

• 이 연구는 고적색(z=4.4–5.9) 주계열 성간 형성 은하의 분자 가스 질량을 추정하기 위해 CO를 탐지하기 어려운 조건에서 [C II] 158 μm 복사 강도를 추적하는 것을 목적으로 한다.
• 이 연구는 유도된 가스 질량이 천체역학 질량과 복사역 850 μm 복사 강도와 비교되었을 때 [C II]가 분자 가스 추적자로서 신뢰도가 있는지 평가하는 것을 목적으로 한다.
• 이 연구는 다중 시점 농도 매칭 기법을 사용하여, 은하수형 유사 은하와 더 무거운 z=0 은하의 조상에 대해 z=5.9에서 z=0까지 분자 가스 분율(f_molgas)의 진화를 추적하는 것을 목적으로 한다.
• 이 연구는 고적색에서 질량이 큰 은하에서 관측된 가스 분율 평탄화 현상의 물리적 메커니즘—외부 유동, 가스 공급 정지, 별 형성 효율—을 조사하는 것을 목적으로 한다.

제안 방법

• z=4.4–5.9의 118개 성간 형성 은하에 대한 ALMA 관측에서 [C II] 158 μm 복사 강도를 측정하였으며, 중간 항성 질량은 10⁹.⁷ M☉이다.
• 지역 및 고적색 캘리브레이션을 기반으로 [C II] 복사 강도와 분자 가스 질량(M_molgas) 간의 캘리브레이션을 적용하였으며, 천체역학 질량과 복사역 850 μm 연속 복사 강도와의 비교를 통해 검증하였다.
• Behroozi 등(2019)의 다중 시점 농도 매칭 기법을 사용하여, 10¹³ M☉ 및 10¹⁴ M☉ 궤도에서의 항성 질량 진화를 추적하여, 우주의 시간에 따른 가스 분율 진화를 재구성하였다.
• 관측된 f_molgas 진화를 이론적 기대와 비교하여, 저질량 및 고질량 조상 시스템에서 적색편이 의존적 행동을 식별하였다.
• f_molgas가 항성 질량에 따라 어떻게 달라지는지 분석하여, z=4.4–5.9에서 강한 다운사이징 효과를 발견하였다.
• 별 형성 효율(SFE), 외부 유동, 가스 공급 정지의 역할을 평가하여, z>4에서 질량이 큰 은하에서 관측된 f_molgas 평탄한 플랫폼을 설명하는 데 기여하는지를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 [C II] 158 μm 복사가 고적색(z=4.4–5.9) 주계열 성간 형성 은하에서 분자 가스의 신뢰할 수 있는 추적자인가?
• RQ2 분자 가스 소진 시간 상한은 z=0에서 z=5.9까지 어떻게 변화하며, 이는 고적색에서 별 형성 효율에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 z=0에서 은하수형 유사 은하(10¹³ M☉ 궤도)와 더 무거운 은하(10¹⁴ M☉ 궤도)의 조상에 대해 분자 가스 분율(f_molgas)의 적색편이 진화는 어떻게 되는가?
• RQ4 왜 질량이 큰 은하 조상에서 f_molgas는 z=5.9에서 z∼2까지 약 일정하게 유지되며, 이러한 플랫폼을 설명할 수 있는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 외부 유동, 정지된 가스 공급, 과잉 효율적인 별 형성은 질량이 큰 고적색 은하에서 관측된 가스 분율 플랫폼을 공동으로 어떻게 설명하는가?

주요 결과

• [C II] 복사 강도는 천체역학 질량과 복사역 850 μm 연속 복사 강도와 잘 상관관계를 보이며, 고적색 은하에서 [C II]가 분자 가스 추적자로서 신뢰할 수 있음을 확인한다.
• 분자 가스 소진 시간 상한은 z=0에서 z=5.9까지 지속적으로 감소하며, z∼5.5에서 평균 (4.6±0.8)×10⁸ yr에 도달한다—지역 은하보다 단지 2–3배 짧을 뿐이다.
• 분자 가스 분율(f_molgas)은 z=4.4–5.9에서 63%±3%로 평탄해지며, 이는 이전에 보고된 가스 분율의 증가가 z∼3.7 이상에서 멈추는 것을 시사한다.
• z=0에서 은하수형 유사 은하의 조상(10¹³ M☉ 궤도)은 f_molgas가 우주의 시간에 따라 단조롭게 감소하는 반면, 더 무거운 은하의 조상(10¹⁴ M☉ 궤도)은 z=5.9에서 z∼2까지 평탄한 f_molgas를 유지하다가, z<2에서 급격히 감소한다.
• z>4에서 질량이 큰 은하에서 f_molgas 플랫폼이 발생하는 것은 강력한 별 형성 유도 외부 유동, 조기 가스 공급 정지, 과잉 효율적인 별 형성의 조합으로 인한 것으로 보이며, 시뮬레이션과 관측 결과가 이를 지지한다.
• ALPINE 은하들 사이의 f_molgas 산란(10%에서 95%)은 주로 항성 질량에 의해 결정되며, z=4.4–5.9에서 질량이 큰 은하에서 작은 은하로 향하는 강한 다운사이징 경향을 반영한다.