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

O. Le Fèvre, M. Béthermin+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 3被引用 13

一句话总结

本论文介绍了ALPINE-ALMA [CII]巡天，这是一项利用ALMA对118个红移4 < z < 6的星系进行观测的大型项目，重点研究158µm [CII]发射线和FIR连续谱。在S/N > 3.5条件下，[CII]的检测率达到64%，揭示了星系群体的多样性——40%为并合星系，20%为弥散主导型，13%为旋转盘状星系，表明在早期质量聚集阶段，星系并合是主导过程，而非仅限于爆发式活动。

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.

研究动机与目标

• 表征4 < z < 6这一关键星系质量聚集时期内，代表性正常星形成星系（SFGs）的[CII]和FIR特性。
• 解决以往巡天中对高红移正常SFGs（非极端星暴）缺乏统计显著观测的问题，这些巡天往往偏向于高SFR系统。
• 为研究早期星系中气体分布与物理过程（特别是为詹姆斯·韦布空间望远镜和极大望远镜的观测做准备）建立参考样本。
• 结合ALMA [CII]数据与多波段辅助数据，对星系形态和运动学进行分类，揭示其中起作用的物理过程多样性。
• 量化星系并合在z ~ 4.7时正常SFGs中的作用，挑战“并合仅与星暴活动相关”的假设。

提出的方法

• 基于紫外波段的光谱红移和SED拟合得到的SFR，选择位于z ~ 4–6主序列上的星系，确保其处于正常星形成状态。
• 利用ALMA在Band 6（1.3 mm）波段进行观测，以检测158µm [CII]线发射和FIR连续谱发射，典型 beam 大小约为~0.85′′（在中值红移下对应~5 kpc）。
• 采用De Looze等人（2014）的[CII]光度–SFR关系预测可检测性，并选择L[CII] > 1.2 × 10⁸ L⊙的星系。
• 生成速度积分的[CII]流量图和速度通道图，以分析空间结构和运动学特征。
• 通过视觉检查[CII]数据立方、哈勃空间望远镜成像（F814W）和辅助数据，对星系进行形态-运动学分类，得到四类主要类型：并合星系、弥散主导型、旋转盘状星系和致密星系。
• 对检测率、信噪比分布和形态分数进行统计分析，以评估样本的代表性及物理过程的普遍性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在4 < z < 6时，正常星形成星系的[CII]检测率是多少？与理论预期相比如何？
• RQ2 在z ~ 4.7时，正常SFGs的形态-运动学多样性如何？这对其主导物理过程驱动质量聚集意味着什么？
• RQ3 这些星系的[CII]和FIR特性与本地星系及高SFR星暴星系相比有何异同？
• RQ4 在z ~ 4.7时，星系并合与主序列SFGs的关联程度如何？这对理解并合在正常星形成中的作用意味着什么？
• RQ5 ALPINE样本在多大程度上代表了该红移下SFGs的总体群体？其对未来詹姆斯·韦布空间望远镜和极大望远镜研究的实用价值如何？

主要发现

• 在S/N > 3.5的信噪比阈值下，总体[CII]检测率为64%，对应95%的纯净度，而在S/N > 5时检测率下降至40%。
• FIR连续谱的检测率为21%，表明样本中相当一部分星系在亚毫米波段也具有高亮度。
• 40%的星系被分类为并合星系，表明即使在主序列上的正常SFGs中，大质量和小质量并合仍是主导的物理过程。
• 20%的样本为扩展且弥散主导型，13.3%为旋转盘状星系，10.7%为致密星系，另有16%因过暗而无法分类，揭示了广泛的形态-运动学多样性。
• 部分系统中存在扩展的[CII]弥散星云，表明在再电离后不久，存在大量冷气体储库，可为恒星形成提供燃料。
• 形态和运动学的多样性表明，多种物理过程（尤其是星系并合）正在这一早期宇宙中积极塑造星系的形成，挑战了“并合仅与星暴系统相关”的观点。