[論文レビュー] The Interstellar Medium In Galaxies Seen A Billion Years After The Big Bang

P. Capak, C. L. Carilli+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 11被引用数 204

ひとこと要約

本研究では、ビッグバン後10億年後のz~5–6の典型的な星形成銀河9個における[CII]放射およびダスト特性の、初めての直接測定が行われた。その結果、これらの初期銀河は、z~3の類似銀河と比較して12倍以上も熱的ダスト放射が少なく、[CII]/遠赤外線比率が高いため、後の銀河とは異なり、ダスト含有量が著しく低く、銀河間媒体（ISM）の状態も顕著に異なることが示された。これは、局所の低金属量系と一致しており、初期銀河は後続の銀河とは異なり、遮蔽が少ない状態にあったことを示唆している。

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.

研究の動機と目的

• ビッグバン後10億年後のz~5–6の典型的な星形成銀河のISM特性を直接測定すること。
• 宇宙時間の最初の30億年間にわたるダスト遮蔽およびISM状態の進化に関する不確実性を解消すること。
• 初期銀河がz<3の典型的な銀河と比較して、低いダスト含有量および異なるISM特性を有しているかどうかを検証すること。
• 高赤方偏移銀河におけるガスおよびダストの空間的分布と動力学的性質を、[CII]および遠赤外線放射を用いて調査すること。

提案手法

• サブミリ波および電波望遠鏡を用いた、z~5–6の星形成銀河9個における[CII]158μm放射および遠赤外線ダスト連続スペクトルの観測。
• ハッブル宇宙望遠鏡およびALMAからの深い画像およびスペクトルデータを用いて、高赤方偏移銀河を特定・特徴づける。
• [CII]の等価放射度と遠赤外線放射度の比を比較し、冷却線とダスト放射の相対的強度を評価する。
• 空間的に分解された放射の解析により、1–8 kpcスケールでのガス分布および運動学的状態を特定する。
• rest-frame UVスペクトル勾配およびUV-光学フラックス比を用いて、ダスト遮蔽レベルを推定する。
• 局所の低金属量銀河およびz<3の星形成銀河と比較し、ISM特性の統計的比較により進化傾向を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z~5–6の銀河のISM特性は、低赤方偏移銀河（z<3）と比較してどのように異なるか？
• RQ2 ビッグバン後10億年における典型的な星形成銀河のダスト遮蔽レベルはどの程度か？
• RQ3 初期銀河における[CII]/遠赤外線放射度比は、局所銀河およびz~3銀河とどのように異なるか？
• RQ4 高赤方偏移銀河におけるガスの空間的スケールおよび力学的状態は何か？
• RQ5 初期銀河は、局所の低金属量系のISM特性と整合的か？

主な発見

• z~5–6の9個の銀河は、z~3の同質量銀河と比較して、12倍以上も熱的ダスト放射が少ないことから、著しく低いダスト含有量を示している。
• [CII]/遠赤外線放射度比が高いため、ISM特性の顕著な進化およびダスト減光の低減が確認された。
• これらの銀河におけるガスは1–8 kpcの空間スケールに広がっており、サンプル全体で多様な力学的構造が観測された。
• 初期銀河のISMは、局所の低金属量系と整合的であり、ダスト対ガス比が低く、より未発達なISM状態であることが示唆された。
• UVスペクトル勾配およびUV-光学フラックス比の観測的進化は、宇宙時間の最初の30億年間にわたるダスト遮蔽の急激な変化を確認した。
• 従来の間接的仮定による系統的誤差を回避するため、直接測定によって長年の不確実性が解消された。