[논문 리뷰] The ALPINE-ALMA [CII] survey: Small Lya-[CII] velocity offsets in main-sequence galaxies at 4.4 < z < 6

P. Cassata, L. Morselli외 31명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 03.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 115인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 4.4 < z < 6 범위의 53개의 주계열은하를 대상으로 ALMA [CII] 및 광학 스펙트로스코피를 사용하여 Lyα-[CII] 속도 이완을 측정한다. 그 결과, 90%의 은하가 작은 이완(0 < Δv < 400 km s⁻¹)을 보이며, 이는 높은 Lyα 등가폭과 탈출율과 강하게 상관됨을 보여주어, 높은 중성 수소 열량 밀도와 낮은 커버리지 비율—빠른 외부 유동이 아니라—이 고적색도에서 증가된 Lyα 탈출을 이끄는 것으로 나타났다.

ABSTRACT

The Lya line in the UV and the [CII] line in the FIR are widely used tools to identify galaxies and to obtain insights into ISM properties in the early Universe. By combining data obtained with ALMA in band 7 at ~ 320 GHz as part of the ALMA Large Program to INvestigate [CII] at Early Times (ALPINE) with spectroscopic data from DEIMOS at Keck, VIMOS and FORS2 at the VLT, we assembled a unique sample of 53 main-sequence star-forming galaxies at 4.4 < z < 6 in which we detect both the Lya line and the [CII]. We used [CII], observed with ALMA, as a tracer of the systemic velocity of the galaxies, and we find that 90% of the selected objects have Lya-[CII] velocity offsets in the range 0 < Dv_Lya-[CII] < 400 km/s, in line with the few measurements available so far in the early Universe, and significantly smaller than those observed at lower z. We observe ISM-[CII] offsets in the range -500 < Dv_ISM-[CII] < 0 km/s, in line with values at all redshifts. We find significant anticorrelations between Dv_Lya-[CII] and the Lya rest-frame equivalent width EW0(Lya) (or equivalently, the Lya escape fraction f_esc(Lya)). According to available models for the radiative transfer of Lya photons, the escape of Lya photons would be favored in galaxies with high outflow velocities, in agreement with our observations. The uniform shell model would also predict that the Lya escape in galaxies with slow outflows (0 < v_out < 300 km/s) is mainly determined by the neutral hydrogen column density (NHI), while the alternative model by Steidel+10 would favor a combination of NHI and covering fraction as driver of the Lya escape. We suggest that the observed increase in Lya escape that is observed between z~2 and z~6 is not due to a higher incidence of fast outflows at high redshift, but rather to a decrease in average NHI along the line of sight, or alternatively, a decrease in HI covering fraction. [abridged]

연구 동기 및 목표

• 고적색도 주계열 은하에서 Lyα 방출과 시스템적 속도 간의 운동학적 관계를 제약하기 위해.
• z ~2에서 z ~6으로의 Lyα 탈출율 증가에 대한 물리적 원인을 조사하기 위해.
• 고적색도에서 증가된 Lyα 방출을 이끄는 원인이 빠른 외부 유동인지, 아니면 낮은 중성 수소 열량 밀도인지 판단하기 위해.
• [CII]를 정확한 시스템적 속도 추적자로 사용하여 4.4 < z < 6 범위의 53개 은하에서 Lyα 및 ISM 속도 이완을 정확히 측정하기 위해.
• 외부 유동 및 덩어리진 ISM 시나리오에 기반한 예측과 관측된 속도 이완을 비교하여 빛의 전파 모델을 테스트하기 위해.

제안 방법

• ALMA 밴드 7 관측을 사용하여 4.4 < z < 6 범위의 53개 은하에서 [CII] 158 μm 방출을 시스템적 속도 추적자로 측정하였다.
• Keck/DEIMOS, VLT/VIMOS, FORS2의 광학 스펙트로스코피를 조합하여 Lyα 및 ISM 선 속도를 측정하였다.
• [CII] 피크 속도를 기준으로 선의 적색편이를 비교하여 Lyα-[CII] 및 ISM-[CII] 속도 이완을 계산하였다.
• 형태-운동학적 구조(회전체, 충돌체, 분산 주도)를 분류하여 공간적 및 운동학적 일관성을 평가하였다.
• 속도 피크가 다중 성분에 의해 편향되지 않았는지 확인하기 위해 공간적으로 일치하는 영역에서 [CII] 스펙트럼을 재추출하였다.
• 균일한 쉘 모델 및 Steidel 등(2010) 모델을 적용하여 관측된 이완-탈출율 상관관계를 해석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 4.4 < z < 6 범위의 주계열 은하에서 Lyα-[CII] 속도 이완의 분포는 어떻게 되며, 저적색도 시스템과 비교해 볼 때 어떻게 다를까?
• RQ2 고적색도 은하에서 Lyα 속도 이완은 Lyα 잔여 등가폭과 탈출율과 어떻게 상관되는가?
• RQ3 외부 유동 속도, 중성 수소 열량 밀도(NHI), 또는 커버리지 비율 등의 물리적 ISM 특성 중에서 관측된 Lyα 탈출 경향을 가장 잘 설명하는 것은 무엇인가?
• RQ4 z ~2에서 z ~6으로의 Lyα 탈출율 증가는 높은 비율의 빠른 외부 유동 때문인가, 아니면 ISM 기하학적 구조와 밀도의 변화 때문인가?
• RQ5 [CII] 선 프로파일과 공간적 형태는 고적색도 은하에서 [CII]가 시스템적 속도 추적자로 신뢰할 수 있는 데에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 53개 은하의 90%가 Lyα-[CII] 속도 이완 범위 0 < ΔvLyα−[CII] < 400 km s⁻¹를 보이며, 이는 저적색도 시스템보다 유의미하게 작다.
• ΔvLyα−[CII]와 Lyα 잔여 등가폭(EW0(Lyα)) 및 탈출율 fesc(Lyα) 사이에 강한 반비례 상관관계가 발견되었으며, 작은 이완일수록 더 높은 Lyα 방출과 탈출이 관측되었다.
• ISM-[CII] 속도 이완은 −500 < ΔvISM−[CII] < 0 km s⁻¹의 범위를 보이며, 이는 이 은하들에서 외부 유동이 존재함을 시사하여, [CII]에 비해 ISM 운동학이 네트워크적으로 파란색으로 이동되어 있음을 나타낸다.
• 작은 Lyα-[CII] 이완과 높은 Lyα 탈출 간의 관측된 상관관계는 빠른 외부 유동이 아니라, 선형 방향의 낮은 중성 수소 열량 밀도(NHI)와 낮은 커버리지 비율이 가장 잘 설명한다.
• z ~2에서 z ~6으로의 Lyα 탈출율 증가는 고적색도에서 빠른 외부 유동의 빈도 증가 때문이 아니라, NHI 또는 커버리지 비율의 감소 때문임을 시사한다.
• 관측 데이터는 외부 유동 속도에만 초점을 맞춘 모델보다, 시스템적 속도에서 NHI와 커버리지 비율의 역할을 강조하는 Steidel 등(2010) 모델을 지지한다.