[论文解读] ISM Masses and Star Formation at z = 1 to 6 ALMA Observations of Dust Continuum in 180 Galaxies in COSMOS

N. Z. Scoville, Kartik Sheth+13 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2015

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 8

一句话总结

本研究利用ALMA周期2的180个星系形成星系的尘埃连续谱观测，表明星际介质（ISM）质量从z = 0到z ≈ 4.8显著增加，尤其在星形成主序列之上的星系中更为明显。研究发现星形成速率（SFR）与ISM质量之间存在线性关系（SFR ∝ M_ISM^0.9），表明主序列上各星系的气体耗尽 timescale 相似；而z > 1时更短的气体耗尽时间（≈0.2 Gyr）则归因于高吸积率和相互作用引发的动力学驱动、压缩性气体运动。

ABSTRACT

ALMA Cycle 2 observations of the long wavelength dust emission in 180 star-forming (SF) galaxies are used to investigate the evolution of ISM masses at z = 1 to 6.4. The ISM masses exhibit strong increases from z = 0 to $ m $ = 1.15 and further to $ m $ = 2.2 and 4.8, particularly amongst galaxies above the SF galaxy main sequence (MS). The galaxies with highest SFRs at $ m $ = 2.2 and 4.8 have gas masses 100 times that of the Milky Way and gas mass fractions reaching 50 to 80\%, i.e. gas masses 1 - 4$ imes$ their stellar masses. For the full sample of galaxies, we find a single, very simple SF law: $ m SFR \propto M_{ m ISM}^{0.9}$, i.e. a `linear' dependence on the ISM mass -- on and above the MS. Thus, the galaxies above the MS are converting their larger ISM masses into stars on a timescale similar to those on the MS. At z $> 1$, the entire population of star-forming galaxies has $\sim$5 - 10$ imes$ shorter gas depletion times ($\sim0.2$ Gyr) than galaxies at low redshift. These {\bf shorter depletion times are due to a different, dominant mode of SF in the early universe} -- dynamically driven by compressive, high dispersion gas motions and/or galaxy interactions. The dispersive gas motions are a natural consequence of the extraordinarily high gas accretion rates which must occur to maintain the prodigious SF.

研究动机与目标

• 利用ALMA尘埃连续谱数据，测量从z = 1到z ≈ 6.4的星形成星系中星际介质（ISM）质量的演化。
• 与本地系统相比，研究高红移星系中的恒星形成效率和气体耗尽 timescale。
• 确定主序列之上的星系是否因ISM储层增强而表现出不同的恒星形成规律。
• 探讨驱动早期宇宙中快速恒星形成的物理机制，特别是气体动力学和吸积的作用。

提出的方法

• 利用ALMA周期2的长波长尘埃连续谱观测，推断180个红移z = 1至z ≈ 6.4的星形成星系中的尘埃质量，进而估算ISM质量。
• 通过标准的尘埃-气体质量比计算气体质量，假设尘埃发射率和温度由观测的亚毫米波通量确定。
• 通过Sed拟合计算恒星形成速率（SFR），并与ISM质量比较，推导恒星形成律：SFR ∝ M_ISM^0.9。
• 计算气体耗尽 timescale（τ_deplete = M_ISM / SFR）并在不同红移区间进行比较。
• 根据星系在星形成主序列中的位置进行分类，分析ISM质量与效率的差异。
• 推断压缩性、高弥散气体运动及星系相互作用作为高红移星系中增强恒星形成效率的驱动因素。

实验结果

研究问题

• RQ1 星形成星系中的星际介质质量如何从z = 1演化到z ≈ 6.4？
• RQ2 在高红移下，星形成速率对ISM质量的依赖关系如何？是否偏离本地恒星形成律？
• RQ3 为何z > 1时气体耗尽时间短于低红移星系？
• RQ4 高吸积率和动力学过程（如相互作用或湍流气体运动）在多大程度上解释了早期星系中观测到的恒星形成效率？
• RQ5 在z ≈ 2–5时，主序列之上的星系中ISM质量与气体分数如何变化？

主要发现

• ISM质量从z = 0到z ≈ 4.8显著增加，极端星系的气体质量可达银河系的100倍。
• 在z ≈ 2.2和z ≈ 4.8时，主序列之上的星系气体质量分数达50–80%，即气体质量为恒星质量的1–4倍。
• 观测到单一近乎线性的恒星形成律：SFR ∝ M_ISM^0.9，表明主序列之上的星系将ISM转化为恒星的 timescale 与主序列上的星系相当。
• 在z > 1时，平均气体耗尽 timescale 约为0.2 Gyr，比本地星系短约5–10倍。
• 短耗尽 timescale 归因于一种主导的、高效率的恒星形成模式，由压缩性、高弥散气体运动和/或星系相互作用驱动。
• 这些动力学过程是维持早期宇宙中观测到的恒星形成速率所必需的高气体吸积率的自然结果。