[論文レビュー] ISM Masses and Star Formation at z = 1 to 6 ALMA Observations of Dust Continuum in 180 Galaxies in COSMOS

N. Z. Scoville, Kartik Sheth+13 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2015

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、ALMAサイクル2の180個の星形成銀河におけるダスト連続スペクトル観測を用い、赤方偏移z = 0からz ≈ 4.8にかけて、星間媒体（ISM）質量が著しく増加することを示した。特に、星形成主系列を上回る銀河において顕著であった。星形成率（SFR）とISM質量の間には線形的スケーリング（SFR ∝ M_ISM^0.9）が見られ、主系列上でのガス消費 timescale が類似していることを示しており、z > 1で短いガス消費 timescale（約0.2 Gyr）が観測される理由は、高いガス降着レートと相互作用に起因する動的駆動の圧縮ガス運動によるものとされる。

ABSTRACT

ALMA Cycle 2 observations of the long wavelength dust emission in 180 star-forming (SF) galaxies are used to investigate the evolution of ISM masses at z = 1 to 6.4. The ISM masses exhibit strong increases from z = 0 to $ m $ = 1.15 and further to $ m $ = 2.2 and 4.8, particularly amongst galaxies above the SF galaxy main sequence (MS). The galaxies with highest SFRs at $ m $ = 2.2 and 4.8 have gas masses 100 times that of the Milky Way and gas mass fractions reaching 50 to 80\%, i.e. gas masses 1 - 4$ imes$ their stellar masses. For the full sample of galaxies, we find a single, very simple SF law: $ m SFR \propto M_{ m ISM}^{0.9}$, i.e. a `linear' dependence on the ISM mass -- on and above the MS. Thus, the galaxies above the MS are converting their larger ISM masses into stars on a timescale similar to those on the MS. At z $> 1$, the entire population of star-forming galaxies has $\sim$5 - 10$ imes$ shorter gas depletion times ($\sim0.2$ Gyr) than galaxies at low redshift. These {\bf shorter depletion times are due to a different, dominant mode of SF in the early universe} -- dynamically driven by compressive, high dispersion gas motions and/or galaxy interactions. The dispersive gas motions are a natural consequence of the extraordinarily high gas accretion rates which must occur to maintain the prodigious SF.

研究の動機と目的

• ALMAダスト連続スペクトルデータを用いて、赤方偏移z = 1からz ≈ 6.4の星形成銀河における星間媒体（ISM）質量の進化を測定すること。
• 高赤方偏移銀河における星形成効率およびガス消費 timescale を、局所系のシステムと比較すること。
• 星形成主系列を上回る銀河が、強化されたISM貯蔵により異なる星形成則を示すかどうかを特定すること。
• 特にガス力学および降着の役割に注目し、初期宇宙における急速な星形成を駆動する物理的メカニズムを探索すること。

提案手法

• ALMAサイクル2の長波長ダスト連続スペクトル観測を用い、赤方偏移z = 1からz ≈ 6.4の180個の星形成銀河におけるダスト質量を推定し、その延長としてISM質量を算出する。
• 標準的なダスト対ガス質量比を仮定し、観測されたミリ波長帯のスペクトル輝度から一定のダスト発光効率および温度を用いてガス質量を計算する。
• SEDフィッティングにより星形成率（SFR）を算出し、ISM質量と照らし合わせて星形成則（SFR ∝ M_ISM^0.9）を導出する。
• ガス消費 timescale（τ_deplete = M_ISM / SFR）を赤方偏移のビンごとに計算し、比較する。
• 星形成主系列からの相対的位置に基づいて銀河を分類し、ISM質量および効率の差異を分析する。
• 圧縮的で高分散性のガス運動および銀河相互作用が、高赤方偏移における星形成効率の向上を駆動していると推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星形成銀河における星間媒体質量は、z = 1からz ≈ 6.4にかけてどのように進化するか？
• RQ2 高赤方偏移において、星形成率はISM質量にどのように依存するか？また、局所の星形成則から逸脱するか？
• RQ3 なぜz > 1の銀河では、低赤方偏移銀河と比較してガス消費 timescale が短いのか？
• RQ4 高降着レートおよび相互作用や乱流ガス運動といった動的プロセスが、初期銀河における観測された星形成効率をどの程度説明できるか？
• RQ5 z ≈ 2–5の星形成主系列を上回る銀河におけるISM質量およびガス分率は、どのようにスケーリングするか？

主な発見

• z = 0からz ≈ 4.8にかけてISM質量が著しく増加し、特に極端な銀河ではミルキーウェイの100倍のガス質量を有することが判明した。
• z ≈ 2.2およびz ≈ 4.8における星形成主系列を上回る銀河では、ガス質量分率が50–80％に達し、ガス質量が星質量の1–4倍に達することが示された。
• 単一のほぼ線形の星形成則（SFR ∝ M_ISM^0.9）が観測され、主系列上およびその上を移動する銀河が、類似したISM消費 timescale で星を形成していることを示している。
• z > 1の領域では、平均的なガス消費 timescale が約0.2 Gyrであり、局所銀河の5–10倍短い。
• 短い消費 timescale は、圧縮的で高分散性のガス運動および／または銀河相互作用によって駆動される、高効率な星形成モードに起因するとされる。
• これらの動的プロセスは、初期宇宙における観測された星形成率を維持するために必要な高いガス降着レートの自然な結果である。