[论文解读] ALMA as a Redshift Machine: Using [CII] to Efficiently Confirm Galaxies in the Epoch of Reionization

Sander Schouws, R. J. Bouwens+12 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2022

Astronomy and Astrophysical Research被引用 4

一句话总结

该论文表明，针对红移z~7的高红移星系，ALMA谱线扫描在探测[ CII ] 158μm线方面具有高效性，成功在六颗光度较高的莱曼断裂星系中检测到50%的[ CII ]发射线，这些星系的光度红移由光度测量确定。检测到的[ CII ]光度（5.6–8.8×10⁸ L☉）与本地[ CII ]-SFR关系一致，动力学多样性揭示了旋转、并合以及星族团块状的恒星形成活动。

ABSTRACT

The [CII]$_{158μm}$ line has long been proposed as a promising line to spectroscopically confirm galaxies in the epoch of reionization. In this paper we present the results of new ALMA observations spectral scanning for [CII] in six particularly luminous Lyman Break Galaxies at $z\sim7$. The six sources were drawn from a sample of bright $z\sim7$ galaxies identified using the wide-area optical, near-IR, and Spitzer/IRAC data over the COSMOS/UltraVISTA field and were targeted on the basis of tight constraints on their redshifts from their IRAC [3.6]-[4.5] colors. We detect significant ($>9σ$) [CII] lines in three of our six targets ($50\%$) co-spatial with the rest-$UV$ emission from the ground/space-based near-IR imaging. The luminosities of the [CII] lines lie in the range $5.6$ to $8.8 imes10^{8}L_{\odot}$, consistent with the local [CII]-SFR relation. Meanwhile, their [CII]/$L_{IR}\sim1-3 imes10^{-3}$ ratios are slightly elevated compared to local (U)LIRGS. This could be due to lower dust-to-gas or dust-to-metal ratios. We also find that our sources display a large kinematic diversity, with one source showing signs of rotation, one source a likely major merger and one dispersion dominated source that might contain a bright star-forming clump. Our results highlight the effectiveness of spectral scans with ALMA in spectroscopically confirming luminous galaxies in the epoch of reionization, something that is being be applied on a significantly larger sample in the on-going REBELS large program.

研究动机与目标

• 测试ALMA谱线扫描在利用[ CII ] 158μm线对z~7高红移星系进行光谱确认方面的有效性。
• 评估光度较高的z~7星系中[ CII ]发射线是否与本地[ CII ]-SFR关系以及尘气比一致。
• 通过[ CII ]线形态和速度分布分析，研究高红移星系的动力学结构。
• 评估先前ALMA巡天中因选择性偏差导致的负面影响，这些巡天倾向于选择[ CII ]光度较低的莱曼α发射星系。
• 验证IRAC [3.6]-[4.5]颜色作为准确光度红移代理指标，在筛选高[ CII ]光度候选星系中的有效性。

提出的方法

• 从COSMOS/超VISTA和Spitzer/IRAC数据中选取六颗光度较高的z~7莱曼断裂星系，其光度红移由IRAC [3.6]-[4.5]颜色精确确定。
• 对ALMA进行深空谱线扫描，聚焦于[ CII ] 158μm线，以探测z~7红移下的发射线。
• 采用9σ显著性阈值定义可靠的[ CII ]检测结果，并通过与HST/Spitzer成像中紫外辐射的空间重合性进行交叉验证。
• 测量[ CII ]光度，并与本地[ CII ]-SFR关系进行比较，以评估恒星形成效率。
• 校准[ CII ]/LIR比率，以评估相对于本地（U）LIRGs的尘气比和尘金属比。
• 分析[ CII ]线轮廓，推断动力学结构：旋转、并合以及速度弥散主导的成分。

实验结果

研究问题

• RQ1 ALMA谱线扫描是否能成功检测通过IRAC [3.6]-[4.5]颜色选定的光度较高的z~7星系中的[ CII ]发射？
• RQ2 高SFR的z~7星系的[ CII ]光度是否与本地[ CII ]-SFR关系一致？
• RQ3 z~7星系中的[ CII ]/LIR比率是否与本地（U）LIRGs一致？若不一致，是否表明其尘气比或尘金属比更低？
• RQ4 通过[ CII ]线轮廓揭示的高红移星系中，动力学结构（如旋转、并合、星族团块）有哪些？
• RQ5 与优先选择莱曼α发射星系相比，针对强IRAC颜色的星系是否能提高z~7的[ CII ]检测效率？

主要发现

• ALMA在六颗目标z~7星系中的三颗中检测到显著（>9σ）的[ CII ]发射，确认该样本的检测率为50%。
• [ CII ]光度范围为5.6×10⁸至8.8×10⁸ L☉，与本地[ CII ]-SFR关系一致，表明恒星形成效率正常。
• [ CII ]/LIR比率在1–3×10⁻³之间，略高于本地（U）LIRGs，提示尘气比或尘金属比可能较低。
• 动力学分析揭示了多样的结构：一颗星系表现出旋转迹象，一颗显示主要并合特征，另一颗为速度弥散主导，可能包含明亮的恒星形成团块。
• 本样本中[ CII ]检测的成功率支持了选择光度高、光度红移约束良好的星系，而非莱曼α发射星系，以最大化检测效率。
• 结果验证了ALMA谱线扫描作为确认高红移星系的高效方法，目前该方法已应用于更大规模的REBELS巡天。