[论文解读] 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 Schreiber+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 105被引用 7

一句话总结

本研究基于ALMA对红移z ≈ 5.5的典型星系HZ4进行的高分辨率观测，揭示了[ C II ] 158 μm谱线和尘埃连续谱的特性，发现其存在速度约为400 km s⁻¹的千秒差距量级星系外流，中性气体质量外流速率是当地恒星形成速率的3–6倍。此外，还探测到一个直径约12 kpc的[ C II ]晕，可能由外流供能，表明星系反馈在早期大质量星系的星系际和星系周介质中已开始起作用。

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.

研究动机与目标

• 研究当宇宙年龄约为10亿年时，红移z ≈ 5.5的典型星形成星系的星际介质（ISM）、外流及星系周介质（CGM）的性质。
• 测定[ C II ]/FIR比值及其空间变化，以评估星际介质中的加热-冷却平衡。
• 在高红移普通星系中探测并表征星系外流和扩展的[ C II ]发射（晕）。
• 通过测量质量外流速率与恒星形成速率的比值，评估反馈在早期星系演化中的作用。

提出的方法

• 利用ALMA在约0.3″（≈2 kpc）角分辨率下对红移z ≈ 5.5的HZ4星系进行高空间分辨率观测，以解析[ C II ]谱线发射和尘埃连续谱。
• 在约2 kpc尺度上对[ C II ]光度、FIR光度和恒星形成速率（SFR）进行空间分辨分析。
• 通过沿光度轴的多普勒速度偏移，对[ C II ]发射进行运动学建模，以识别外流气体。
• 利用碰撞激发理论推导的[ C II ]质量-光度转换因子κ_[CII]，估算中性气体质量外流速率。
• 使用MAPPINGS光致电离代码和Goldsmith等人（2015）的临界密度公式，对κ_[CII]随气体密度、温度和金属丰度的变化进行建模。
• 将观测到的[ C II ]晕大小（≈12 kpc直径）与外流驱动气体分布的理论预期进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在典型高红移星形成星系中，[ C II ]/FIR比值的空间分布如何？与本地类似星系相比有何差异？
• RQ2 在红移≈5.5的普通星系（非亚毫米波明亮星系）中，是否存在星系外流的直接证据？
• RQ3 [ C II ]发射在恒星形成盘之外的范围和运动学结构如何？其形成机制是什么？
• RQ4 该早期星系的质量外流速率与恒星形成速率相比如何？这对反馈效率有何启示？
• RQ5 [ C II ]晕在多大程度上由外流供能？这与系统的逃逸速度有何关联？

主要发现

• HZ4中的[ C II ]/FIR比值在全局和约2 kpc空间尺度上均为~3×10⁻³，与本地中等恒星爆发星系（如M82和M83）的值一致。
• 在光度轴方向探测到清晰的外流，投影速度约为400 km s⁻¹，中性气体质量外流速率约为3–6 M☉ yr⁻¹，超过当地的恒星形成速率。
• 弥散的[ C II ]晕延伸至约12 kpc的直径，显著超出恒星形成盘，表明星系周介质中存在广泛分布的电离和中性气体。
• 外流速度约为系统逃逸速度的一半，表明其具有显著的能量，很可能正是驱动扩展[ C II ]发射的原因。
• HZ4的运动学和形态结构表明，它是一个典型的高红移星形成盘星系，其星际介质条件与现今以类似恒星形成速率形成星系的星系相似。
• 本研究首次在普通、非明亮的高红移星系中提供了星系外流的解析证据，强调了在z ≈ 5.5时反馈是星系演化的重要驱动力。