[论文解读] Planck's Dusty GEMS. II. Extended [CII] emission and absorption in the Garnet at z=3.4 seen with ALMA

N. P. H. Nesvadba, R. Kneißl+10 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2016

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 29被引用 10

一句话总结

本研究利用空间分辨的ALMA观测，对红移z=3.427的强引力透镜、尘埃丰富的星暴星系PLCK G045.1+61.1（即'石榴石'星系）进行了研究，揭示了两个速度偏移的云气中延伸的[CII]发射，以及在另一星系中首次发现的、相对于主CO组分+350 km s−1的[CII]吸收。该吸收源于星暴斑块大距离外的弥散、紫外屏蔽气体，表明存在可能源自宇宙丝或星系并合残骸的流入物质，挑战了关于高红移星暴中[CII]发射的传统假设。

ABSTRACT

We present spatially resolved ALMA [CII] observations of the bright (flux density S=400 mJy at 350 microns), gravitationally lensed, starburst galaxy PLCK G045.1+61.1 at z=3.427, the "Garnet". This source is part of our set of "Planck's Dusty GEMS", discovered with the Planck's all-sky survey. Two emission-line clouds with a relative velocity offset of ~600 km/s extend towards north-east and south-west, respectively, of a small, intensely star-forming clump with a star-formation intensity of 220 Msun/yr/kpc^2, akin to maximal starbursts. [CII] is also seen in absorption, with a redshift of +350 km/s relative to the brightest CO component. [CII] absorption has previously only been found in the Milky Way along sightlines toward bright high-mass star-forming regions, and this is the first detection in another galaxy. Similar to Galactic environments, the [CII] absorption feature is associated with [CI] emission, implying that this is diffuse gas shielded from the UV radiation of the clump, and likely at large distances from the clump. Since absorption can only be seen in front of a continuum source, the gas in this structure can definitely be attributed to gas flowing towards the clump. The absorber could be part of a cosmic filament or merger debris being accreted onto the galaxy. We discuss our results also in light of the on-going debate of the origin of the [CII] deficit in dusty star-forming galaxies.

研究动机与目标

• 研究高度透镜化、富含尘埃的星暴星系PLCK G045.1+61.1（石榴石星系）在z=3.427时的空间分辨[CII]发射与吸收。
• 确定由[CII]吸收追踪的弥散气体的起源与物理状态，该现象此前未在银河系以外被探测到。
• 评估观测到的[CII]分布对高红移、富含尘埃的星形成星系中[CII]缺乏现象的影响。
• 评估观测到的气体动力学与动量输入是否支持星暴驱动风的存在，或存在其他吸积机制。

提出的方法

• 利用ALMA周期2的亚角秒分辨率观测，对石榴石星系中的[CII] 158 μm发射与吸收进行成图，通道宽度为87 km s−1。
• 分析谱线立方体，识别出相对于系统红移速度偏移约600 km s−1的、空间延伸的[CII]发射成分。
• 在明亮连续成分的光谱中识别出+350 km s−1处的[CII]吸收特征，并通过关联的[CI] 1-0发射确认其为弥散、受屏蔽的气体。
• 利用放大因子10（总源）、21（蓝移气体）和21（连续峰）对连续与线源流量进行引力透镜放大校正。
• 采用Heckman等人（2015）提出的临界动量阈值进行动量预算分析，比较恒星形成输入的动量与风逃逸所需的临界值。
• 计算[CII]/FIR光度比，并与本地及高红移样本比较，以评估[CII]缺乏现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 石榴石星系中[CII]发射的空间分布与动力学结构如何？其与强烈恒星形成斑块的关系是什么？
• RQ2 +350 km s−1处的[CII]吸收特征的起源与物理状态是什么？其与银河系内吸收特征有何不同？
• RQ3 观测到的[CII]吸收是否可归因于流入气体？这对星系的吸积历史有何启示？
• RQ4 石榴石星系中恒星形成的动量输入是否超过风逃逸所需的临界阈值？这对反馈调节意味着什么？
• RQ5 石榴石星系的[CII]/FIR光度比与其它高红移及本地星形成星系相比如何？这揭示了关于[CII]缺乏现象的哪些信息？

主要发现

• 在速度上相距约600 km s−1的两个空间延伸的[CII]发射云被探测到，对称地偏移于主星暴斑块，表明存在复杂的外流或内流动力学。
• 首次在银河系以外天体中探测到相对于系统红移+350 km s−1的[CII]吸收特征，该特征与[CI] 1-0发射相关，表明其为大距离外的弥散、紫外屏蔽气体。
• 吸收气体可能源自流向星系的丝状结构或并合残骸，因吸收需要背景连续源，从而证实了内流几何结构。
• 恒星形成提供的动量输入（1.9×10³⁶ dyn）不足以驱动逃逸风，因其低于100 pc距离处的临界动量阈值（2×10³⁶ dyn）。
• 石榴石星系的积分[CII]/FIR光度比位于本地ULIRG分布的极端端，表明未分辨观测可能无法准确反映高红移星系的真实[CII]特性。
• [CII]发射在速度上至少覆盖1200 km s−1，但未发现强风成分的明显证据，表明高红移星暴中的[CII]可能比以往假设的追踪更丰富的气体相态。