[论文解读] ALMA reveals the molecular gas properties of 5 star-forming galaxies across the main sequence at 3 < z < 3.5

P. Cassata, Daizhong Liu+18 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 66被引用 8

一句话总结

本研究在红移 3 < z < 3.5 的五颗主序星形成星系中通过 ALMA 检测到 CO(5-4) 及更低跃迁谱线，揭示了 CO 亮度温度与亚毫米波长亮度之间存在强烈相关性，表明 CO(5-4) 可有效追踪隐匿性恒星形成。这些星系具有极高的气体含量（分子气体占比 60–80%），且气体耗尽时标较长（0.2–1 Gyr），推导出的 αCO 参数与标准值 3.8 M⊙(K km s−1 pc−2)−1 一致，为 z ∼3.2 时提供了首个直接观测约束。

ABSTRACT

We present the detection of CO(5-4) with S/N> 7 - 13 and a lower CO transition with S/N > 3 (CO(4-3) for 4 galaxies, and CO(3-2) for one) with ALMA in band 3 and 4 in five main sequence star-forming galaxies with stellar masses 3-6x10^10 M/M_sun at 3 < z < 3.5. We find a good correlation between the total far-infrared luminosity LFIR and the luminosity of the CO(5-4) transition L'CO(5-4), where L'CO(5-4) increases with SFR, indicating that CO(5-4) is a good tracer of the obscured SFR in these galaxies. The two galaxies that lie closer to the star-forming main sequence have CO SLED slopes that are comparable to other star-forming populations, such as local SMGs and BzK star-forming galaxies; the three objects with higher specific star formation rates (sSFR) have far steeper CO SLEDs, which possibly indicates a more concentrated episode of star formation. By exploiting the CO SLED slopes to extrapolate the luminosity of the CO(1-0) transition, and using a classical conversion factor for main sequence galaxies of alpha_CO = 3.8 M_sun(K km s^-1 pc^-2)^-1, we find that these galaxies are very gas rich, with molecular gas fractions between 60 and 80%, and quite long depletion times, between 0.2 and 1 Gyr. Finally, we obtain dynamical masses that are comparable with the sum of stellar and gas mass (at least for four out of five galaxies), allowing us to put a first constraint on the alpha_CO parameter for main sequence galaxies at an unprecedented redshift.

研究动机与目标

• 测量红移 3 < z < 3.5 范围内主序星形成星系的分子气体性质，该红移区间内 CO 数据较为稀疏。
• 检验 CO(5-4) 作为高红移星系中隐匿性恒星形成示踪剂的可靠性。
• 利用 CO 谱线能量分布（SLED）估算分子气体质量，减少对不确定尘埃温度假设的依赖。
• 首次估算 z ∼3.2 时正常主序星系的 αCO 转换因子。
• 将动力学质量与重子质量进行比较，以验证气体质量和动力学质量估算的准确性。

提出的方法

• 利用 ALMA Band 3 和 Band 4 对红移 3 < z < 3.5 的五颗主序星系进行 CO(5-4) 及更低跃迁（CO(4-3) 或 CO(3-2)）的观测。
• 结合多波段测光与光谱数据（来自 VUDS 和 zCOSMOS）推导红移、恒星形成率（SFR）及恒星质量。
• 使用 MAGPHYS 拟合 SED，估算尘埃温度与亚毫米波长亮度。
• 基于检测到的跃迁线构建 CO SLED，并利用 SLED 倾角外推至 CO(1-0)，估算总分子气体质量。
• 应用 αCO = 3.8 M⊙(K km s−1 pc−2)−1 转换因子推导气体质量与耗尽时标。
• 从 CO 谱线宽度估算动力学质量，并与恒星质量与气体质量之和比较，以验证假设。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 z ∼3.2 的主序星系中，CO(5-4) 是否是隐匿性恒星形成的可靠示踪剂？
• RQ2 这些星系的 CO SLED 倾角与本地星形成星族相比如何？其对恒星形成集中程度有何启示？
• RQ3 基于 CO SLED 外推的气体质量估算与基于尘埃连续谱发射的估算之间存在多大差异？
• RQ4 在 z ∼3.2 的主序星系中，分子气体占比与耗尽时标为何值？与文献值相比有何异同？
• RQ5 能否首次在 z > 3 的正常主序星系中通过观测约束 αCO 参数？

主要发现

• CO(5-4) 亮度温度与亚毫米波长亮度（LF IR）之间存在强相关性，证实 CO(5-4) 是高红移主序星系中隐匿性恒星形成的稳健示踪剂。
• 接近主序的星系其 CO SLED 倾角与本地 BzK 及 SMG 星族相似，表明其为稳定、延展的恒星形成；而 sSFR 较高的星系具有更陡的 SLED，暗示恒星形成更集中或呈爆发式特征。
• 分子气体占比在 60% 至 80% 之间，与 z ∼3 时类似（但被引力透镜增强）的星系观测结果一致，支持在 z > 3 时气体占比趋于平台化。
• 气体耗尽时标在 0.2 至 1 Gyr 之间，越接近主序的星系耗尽时标越长，表明耗尽时标随 sSFR 增加而缩短。
• 动力学质量与恒星质量与气体质量之和相当（五分之四的星系），验证了质量估算的可靠性，并支持使用标准 αCO = 3.8 M⊙(K km s−1 pc−2)−1。
• 在 z ∼3.2 时，αCO 参数被约束为与 3.8 M⊙(K km s−1 pc−2)−1 一致，标志着该红移区间首次获得直接观测约束。