[논문 리뷰] A kiloparsec view of a typical star-forming galaxy when the Universe was ~1 Gyr old. Part I. Outflow, halo, and interstellar medium properties

Rodrigo Herrera-Camus, N. M. Förster Schreiber외 10명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 13.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 105인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 약 z ≈ 5.5에서 발생하는 일반적인 성간 형성 은하인 HZ4에서 [C II] 158 μm 선과-dust 연속기록의 고해상도 ALMA 관측을 제시하며, 약 400 km s⁻¹의 속도로 편향된 킬로파섹 규모의 유동을 밝혀내고, 중성 가스 질량 유동률이 지역적 성간 형성률의 3–6배임을 확인한다. 또한, 약 12 kpc의 직경을 가진 확장된 [C II] 허브를 탐지하여, 이는 유동에 의해 공급되는 것으로 보이며, 초기 거대 은하에서 은하 피드백이 이미 은하 내부 및 은하주변 매질을 형성하고 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We present new Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) observations of the [CII] 158 $μ$m transition and the dust continuum in HZ4, a typical star-forming galaxy when the Universe was only $\sim1$ Gyr old ($z\approx5.5$). Our high $\approx0.3$'' spatial resolution allow us to study the relationships between [CII] line emission, star formation rate (SFR), and far-infrared (FIR) emission on spatial scales of $\sim2$ kpc. In the central $\sim$4 kpc of HZ4, the [CII]/FIR ratio is $\sim3 imes10^{-3}$ on global scales as well as on spatially-resolved scales of $\sim$2 kpc, comparable to the ratio observed in local moderate starburst galaxies such as M82 or M83. For the first time in an individual normal galaxy at this redshift, we find evidence for outflowing gas from the central star-forming region in the direction of the minor-axis of the galaxy. The projected velocity of the outflow is $\sim400$ km s$^{-1}$, and the neutral gas mass outflow rate is $\sim3-6$ times higher than the SFR in the central region. Finally, we detect a diffuse component of [CII] emission, or "[CII]-halo", that extends beyond the star-forming disk and has a size of $\sim12$ kpc in diameter. Most likely the outflow, which has a velocity approximately half the escape velocity of the system, is in part responsible for fueling the [CII] extended emission. Together with the kinematic analysis of HZ4 (presented in a forthcoming paper), the analysis supports that HZ4 is a typical star-forming disk at $z\sim5$ with interstellar medium (ISM) conditions similar to present-day galaxies forming stars at a similar level, driving a galactic outflow that may already play a role in its evolution.

연구 동기 및 목표

• z ≈ 5.5에서 우주의 연령이 약 1 Gyr일 때, 일반적인 성간 형성 은하의 은하간 매질(ISM), 유동, 은하주변 매질(CGM)의 특성을 조사하기 위해.
• 열역학적 균형을 평가하기 위해 [C II]/FIR 비율과 그 공간적 변화를 측정하기 위해.
• 고적색적 정상 은하에서 은하 유동과 확장된 [C II] 복사(허브)를 탐지하고 특성화하기 위해.
• 성간 형성률과의 질량 유동률 측정을 통해 피드백의 역할을 평가하여 초기 은하 진화를 평가하기 위해.

제안 방법

• z ≈ 5.5의 HZ4에서 [C II] 선 복사와 먼지 연속기록을 고해상도로 분석하기 위해 약 0.3″(≈2 kpc)의 해상도를 가진 ALMA 관측을 수행하였다.
• 약 2 kpc 규모에서 [C II] 발광, FIR 발광, 성간 형성률(SFR)의 공간 해상 분석을 수행하였다.
• 소 minor 축을 따라 속도 이동을 통해 기록된 유동 기체를 식별하기 위해 [C II] 복사의 운동학적 모델링을 수행하였다.
• 충돌적 자극 이론에서 유도된 [C II] 질량-광도 변환 계수 κ_[CII]를 사용하여 중성 가스 질량 유동률을 추정하였다.
• MAPPINGS 광이온화 코드와 Goldsmith 등(2015)의 임계 밀도 공식을 사용하여 κ_[CII]를 기체 밀도, 온도, 중성도의 함수로 모델링하였다.
• 관측된 [C II] 허브 크기(~12 kpc 직경)를 유동에 의해 유도된 기체 분포의 이론적 기대치와 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반적인 고적색적 성간 형성 은하에서 공간 해상 [C II]/FIR 비율은 무엇이며, 지역의 유사체와 비교해보면 어떠한가?
• RQ2 z ≈ 5.5에서 비정상적인 고적색적 밀도를 띠는 은하가 아닌 일반적인 은하에서 은하 유동에 대한 직접적 증거가 있는가?
• RQ3 은하 형성 디스크를 초월해 [C II] 복사의 범위와 운동학적 구조는 무엇이며, 그 형성 원인은 무엇인가?
• RQ4 이 초기 은하에서 질량 유동률과 성간 형성률은 어떻게 비교되며, 이는 피드백 효율성에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 어느 정도 [C II] 허브가 유동에 의해 공급되고 있으며, 이는 시스템의 탈출 속도와 어떤 관련이 있는가?

주요 결과

• [C II]/FIR 비율은 HZ4에서 전역적 및 약 2 kpc 공간 스케일에서 약 3×10⁻³로 측정되었으며, 이는 M82와 M83 같은 지역의 중간 강도의 은하폭발 은하와 유사한 값을 보였다.
• 소 minor 축을 따라 약 400 km s⁻¹의 투영 속도를 가지며 명확한 유동이 탐지되었으며, 중성 가스 질량 유동률은 약 3–6 M☉ yr⁻¹로 지역 성간 형성률을 초과하였다.
• 희박한 [C II] 허브가 약 12 kpc의 직경까지 확장되어 있으며, 이는 성간 형성 디스크를 크게 초월하여 은하주변 매질에 넓게 퍼져 있는 이온화 및 중성 기체를 시사한다.
• 유동 속도는 시스템의 탈출 속도의 약 절반으로, 에너지적으로 중요한 역할을 하며, 확장된 [C II] 복사의 공급원으로서 기능할 가능성이 높다.
• HZ4의 운동학적 및 형태학적 구조는 이는 현재의 은하들과 유사한 성간 형성 디스크를 가지며, 유사한 성간 형성률에서 형성된 은하간 매질 조건을 가진 일반적인 고적색 은하임을 지지한다.
• 이 연구는 정상적이고 밝지 않은 고적색 은하에서 은하 유동에 대한 첫 번째 해상도 있는 증거를 제공하며, z ≈ 5.5에서 피드백이 핵심적인 진화 동력임을 강조한다.