[논문 리뷰] The Interstellar Medium In Galaxies Seen A Billion Years After The Big Bang

P. Capak, C. L. Carilli외 12명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 26.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 11인용 수 204

한 줄 요약

이 연구는 빅뱅 이후 10억 년 후인 z~5–6에서의 아홉 개인 성간가스 형성 은하에서 [CII] 복사와-dust 특성에 대한 최초의 직접 측정을 제시한다. 이는 이러한 초기 은하가 z~3의 유사한 은하들보다 열적-dust 복사가 12배 이상 적고, [CII]/적외선 복사 비율이 높아, 후기 은하들에 비해 상당히 낮은-dust 함량과 다름없는 성간가스 매질 조건을 가짐을 시사하며, 지역의 저금속도 시스템과 일치한다.

ABSTRACT

Evolution in the measured rest frame ultraviolet spectral slope and ultraviolet to optical flux ratios indicate a rapid evolution in the dust obscuration of galaxies during the first 3 billion years of cosmic time (z>4). This evolution implies a change in the average interstellar medium properties, but the measurements are systematically uncertain due to untested assumptions, and the inability to measure heavily obscured regions of the galaxies. Previous attempts to directly measure the interstellar medium in normal galaxies at these redshifts have failed for a number of reasons with one notable exception. Here we report measurements of the [CII] gas and dust emission in 9 typical (~1-4L*) star-forming galaxies ~1 billon years after the big bang (z~5-6). We find these galaxies have >12x less thermal emission compared with similar systems ~2 billion years later, and enhanced [CII] emission relative to the far-infrared continuum, confirming a strong evolution in the interstellar medium properties in the early universe. The gas is distributed over scales of 1-8 kpc, and shows diverse dynamics within the sample. These results are consistent with early galaxies having significantly less dust than typical galaxies seen at z<3 and being comparable to local low-metallicity systems.

연구 동기 및 목표

• 빅뱅 이후 10억 년 후인 z~5–6에서의 일반적인 성간가스 형성 은하의 성간가스 매질(ISM) 특성을 직접 측정하기 위해.
• 우주의 첫 30억 년 동안-dust 차폐와 성간가스 매질 조건의 진화에 대한 불확실성을 해결하기 위해.
• 초기 은하가 z<3의 일반적인 은하들에 비해 더 낮은-dust 함량과 다른 성간가스 매질 특성을 가지는지 테스트하기 위해.
• 고적색편이 은하에서 [CII]와 적외선 복사 복사의 공간 해상도를 이용해 가스와-dust의 공간 분포 및 운동 특성을 조사하기 위해.

제안 방법

• submillimeter 및 radio 천체망원경를 사용하여 z~5–6의 9개 성간가스 형성 은하에서 [CII] 158 μm 복사와 적외선-dust 연속복사 측정.
• Hubble 우주망원경 및 ALMA의 깊은 광학 및 스펙트럼 데이터를 활용하여 고적색편이 은하를 식별하고 특성화.
• [CII] 빛의 강도를 적외선 복사 강도와 비교하여 냉각선과-dust 복사 간 상대 강도 평가.
• 공간 해상도가 높은 복사 분포 분석을 통해 1–8 kpc 척도에서의 가스 분포 및 운동 특성 파악.
• 고정착 상태에서의 UV 스펙트럼 기울기와 UV-광학 복사 비율을 적용하여-dust 차폐 수준 추정.
• 지역 저금속도 성간가스 매질 시스템과 z<3 성간가스 형성 시스템과의 통계적 비교를 통해 진화 경향 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z~5–6에서의 은하 성간가스 매질 특성은 z<3의 은하들과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 빅뱅 이후 10억 년 후 일반적인 성간가스 형성 은하의-dust 차폐 수준은 어떠한가?
• RQ3 초기 은하에서의 [CII]/적외선 복사 비율은 지역 및 z~3 은하들과 어떻게 다를까?
• RQ4 고적색편이 은하에서의 가스 공간 확장 및 운동 상태는 어떠한가?
• RQ5 초기 은하는 지역 저금속도 성간가스 매질 시스템의 성간가스 매질 특성과 일치하는가?

주요 결과

• z~5–6의 아홉 은하에서 z~3의 유사 질량 은하들에 비해 열적-dust 복사가 12배 이상 적어, 상당히 감소한-dust 함량을 나타낸다.
• [CII]/적외선 복사 비율이 높아, 성간가스 매질 특성의 강한 진화와-dust 감쇠 감소를 확인한다.
• 이 은하들의 가스는 1–8 kpc 척도에서 분포되어 있으며, 샘플 전반에 걸쳐 다양한 운동학적 기하학적 특징을 관측했다.
• 이러한 초기 은하의 성간가스 매질은 지역 저금속도 시스템과 일치하여, 낮은-dust 대 가스 비율과 더는 진화하지 않은 성간가스 매질 조건을 시사한다.
• UV 스펙트럼 기울기와 UV-광학 복사 비율의 관측된 진화는 우주의 첫 30억 년 동안-dust 차폐가 급격히 변화했음을 확인한다.
• 이전의 간접적 가정에 기인한 체계적 오차를 피하기 위해 직접 측정을 제공함으로써 오랫동안 남아있던 불확실성을 해결했다.