[논문 리뷰] The ALPINE-ALMA [CII] survey: Survey strategy, observations and sample properties of 118 star-forming galaxies at $4<z<6$

O. Le Fèvre, M. Béthermin외 8명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 21.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 3인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 4 < z < 6의 별 형성은 은하 118개를 관측하는 ALPINE-ALMA [CII] 조사라는 대규모 프로그램을 제시한다. 이 조사는 [CII] 158µm 복사와 적외선 연속분포를 중심으로 하며, S/N > 3.5일 때 [CII] 탐지율이 64%로 나타나, 병합, 확산이 지배적인 은하, 자전 운동을 보이는 디스크 등 다양한 구조를 보이며, 초기 질량 조립 과정에서 은하 병합이 돌연적인 별 형성과는 별개로 주요 과정임을 시사한다.

ABSTRACT

The ALMA-ALPINE [CII] survey is aimed at characterizing the properties of a sample of normal star-forming galaxies (SFGs). The ALMA Large Program to INvestigate (ALPINE) features 118 galaxies observed in the [CII]-158$\mu$m line and far infrared (FIR) continuum emission during the period of rapid mass assembly, right after the end of the HI reionization, at redshifts of 4<z<6. We present the survey science goals, the observational strategy, and the sample selection of the 118 galaxies observed with ALMA, with an average beam minor axis of about 0.85 arcsec, or $\sim$5 kpc at the median redshift of the survey. The properties of the sample are described, including spectroscopic redshifts derived from the UV-rest frame, stellar masses, and star-formation rates obtained from a spectral energy distribution (SED) fitting. The observed properties derived from the ALMA data are presented and discussed in terms of the overall detection rate in [CII] and FIR continuum, with the observed signal-to-noise distribution. The sample is representative of the SFG population in the main sequence at these redshifts. The overall detection rate in [CII] is 64% for a signal-to-noise ratio (S/N) threshold larger than 3.5 corresponding to a 95% purity (40% detection rate for S/N>5). Based on a visual inspection of the [CII] data cubes together with the large wealth of ancillary data, we find a surprisingly wide range of galaxy types, including 40% that are mergers, 20% extended and dispersion-dominated, 13% compact, and 11% rotating discs, with the remaining 16% too faint to be classified. This diversity indicates that a wide array of physical processes must be at work at this epoch, first and foremost, those of galaxy mergers. This paper sets a reference sample for the gas distribution in normal SFGs at 4<z<6.

연구 동기 및 목표

• 4 < z < 6의 중요한 은하 질량 조립 시기 동안 일반적인 별 형성 은하(SFGs)의 [CII] 및 FIR 성질을 규명하기 위해.
• 이전 조사에서 고사용률 별 형성율(SFR)을 가진 시스템에 편향된 통계적으로 유의미한 관측이 부족한, 고적색변위에서 일반적인 SFGs(극도의 별 형성 폭발이 아닌)의 관측 부족을 보완하기 위해.
• JWST 및 ELT 관측을 앞두고, 초기 은하에서 가스 분포와 물리적 과정을 연구하기 위한 기준 샘플을 확립하기 위해.
• ALMA [CII] 데이터와 다중파장 보조 데이터를 조합하여 은하 형태와 운동학을 분류함으로써, 작용 중인 물리적 과정의 다양성을 드러내기 위해.
• z ~ 4.7에서 일반적인 SFGs에서 은하 병합의 역할을 정량화하여, 병합이 별 형성 폭발과만 관련된 것으로 여겨지는 가정을 도전하기 위해.

제안 방법

• UV 정착 프레임 데이터의 스펙트럼적 적색변위와 SED-피팅을 통한 SFR 추정치를 기반으로, z ~ 4–6에서 메인 시퀀스에 위치한 은하를 확보하기 위한 표적 선별.
• Band 6(1.3 mm)에서 ALMA 관측을 수행하여 [CII] 158µm 선 방출과 FIR 연속분포를 탐지하며, 일반적인 beam 크기는 약 ~0.85′′(~5 kpc, 중간 z에서의 값).
• De Looze 등(2014)의 [CII] 빛의 세기–SFR 관계를 사용하여 탐지 가능성 예측 및 L[CII] > 1.2 × 10⁸ L⊙인 은하 선별.
• 공간적 및 운동학적 구조 분석을 위해 속도 통합 [CII] 유량 맵과 속도 채널 맵 제작.
• [CII] 데이터 큐브, HST 이미징(F814W) 및 보조 데이터의 시각적 검토를 통한 형태-운동학 분류로, 주요 4개 유형으로 나뉨: 병합, 확산이 지배적인 은하, 자전 운동을 보이는 디스크, 밀집 구조.
• 탐지율, 신호 대 잡음 비율 분포, 형태 분율의 통계적 분석을 통해 샘플의 대표성과 물리적 과정의 퍼짐 정도 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 4 < z < 6에서 일반적인 별 형성 은하의 [CII] 탐지율은 얼마이며, 이는 이론적 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 z ~ 4.7에서 일반 SFGs의 형태-운동학적 다양성은 무엇이며, 이는 질량 조립을 주도하는 주요 물리적 과정에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 이 은하들의 [CII] 및 FIR 성질은 국지 은하와 고SFR 별 형성 폭발 시스템과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 z ~ 4.7에서 은하 병합은 메인 시퀀스 SFGs와 어느 정도 관련되어 있으며, 이는 일반적인 별 형성 과정에서 병합의 역할에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 ALPINE 샘플은 이 적색변위에서의 일반 SFGs 인구에 대해 얼마나 대표적인가? 향후 JWST 및 ELT 연구에 있어 이 샘플의 유용성은 무엇인가?

주요 결과

• S/N 임계치 > 3.5일 때 전체 [CII] 탐지율은 64%이며, 이는 95%의 순도를 보이며, S/N > 5일 때는 낮은 탐지율 40%로 나타남.
• FIR 연속분포 탐지율은 21%로, 샘플의 상당 부분이 또한 밀리미터파 영역에서 밝은 것으로 나타나, 이는 중요한 부분의 은하들이 서브밀리미터 복사로도 밝다는 것을 시사함.
• 은하의 40%가 병합으로 분류되어, z ~ 4.7에서 메인 시퀀스에 위치한 일반 SFGs에서도 주요 및 보조 병합이 질량 조립 과정에서 지배적인 물리적 과정임을 시사함.
• 20%는 확산이 지배적인 확장된 은하, 13.3%는 자전 운동을 보이는 디스크, 10.7%는 밀집 구조이며, 16%는 분류하기에 너무 어두워서 분류 불가로, 형태-운동학적 다양성이 뚜렷함.
• 일부 시스템에서 확장된 [CII] 안개의 존재는 재이온화 직후 별 형성에 연료가 되는 냉각된 가스의 큰 저축이 가능했음을 시사함.
• 형태 및 운동학의 다양성은 병합을 포함한 여러 물리적 과정이 이른 시기의 은하 조립 과정에서 활발히 작용하고 있음을 시사하며, 병합이 별 형성 폭발 시스템에만 국한된 것으로 보는 관점에 도전함.