[论文解读] Low-redshift analogs of submm galaxies: a diverse population

I. Oteo, Ian Smail+12 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2017

Astronomy and Astrophysical Research被引用 3

一句话总结

本研究基于远红外 luminosity 和尘埃温度的匹配，识别出21个低红移（z < 0.5）亚毫米波星系（SMGs）的类星体。利用IRAM-30m望远镜的观测，揭示了该群体具有高度多样的CO跃迁线比值，表明从J≥2 CO跃迁外推分子气体质量存在高度不确定性，同时确认了紧密的尘埃-气体 luminosity 相关性以及平均分子气体质量约为~1.6×10¹⁰ M☉，气体耗尽 timescale 约为~100 Myr。

ABSTRACT

We have combined the wide-area Herschel-ATLAS far-IR survey with spectroscopic redshifts from GAMA and SDSS to define a sample of 21 low--redshift ($z_{ m spec} &lt; 0.5$) analogs of submm galaxies (SMGs). These have been selected because their dust temperatures and total IR luminosities are similar to those for the classical high-redshift SMG population. As well as presenting the sample, in this paper we report $^{12}$CO(2-1) and $^{12}$CO(1-0) observations of 16 low-redshift analogs of SMGs taken with the IRAM-30m telescope. We have obtained that low-redshift analogs of SMGs represent a very diverse population, similar to what has been found for high-redshift SMGs. A large variety in the molecular gas excitation or $^{12}$CO(2-1)/$^{12}$CO(1-0) line ratio is seen, meaning that extrapolations from $J \geq 2$ CO lines can result in very uncertain molecular gas mass determinations. Our sources with $^{12}$CO(1-0) detections follow the dust--gas correlation found in previous work at different redshifts and luminosities. The molecular gas mass of low-redshift SMGs has an average value of $M_{ m H_2} \sim 1.6 imes 10^{10}\,M_\odot$ and will be consumed in $\sim 100 \, { m Myr}$ . We also find a wide range of molecular gas fractions, with the highest values being compatible with those found in high-redshift SMGs with $^{12}$CO(1-0) detections, which are only the most luminous. Low-redshift SMGs offer a unique opportunity to study the properties of extreme star formation in a detail not possible at higher redshifts.

研究动机与目标

• 通过匹配总红外 luminosity 和尘埃温度，识别出与高红移亚毫米波星系（SMGs）相似的低红移（z < 0.5）类星体，以在更易观测的红移范围内详细研究极端恒星形成现象。
• 利用CO(1–0)和CO(2–1)线观测，研究这些低红移SMG类星体的分子气体含量和激发态，解决从高-J CO跃迁外推气体质量时的不确定性问题。
• 通过将低红移类星体与高红移SMGs进行比较，检验极端恒星形成系统中尘埃-气体 luminosity 相关性和气体耗尽 timescale 的普适性。
• 探索低红移SMG类星体的形态和动力学多样性及其对解释高红移SMG性质的影响，特别是双峰CO线轮廓的成因。

提出的方法

• 从Herschel-ATLAS巡天中选取21个低红移（z < 0.5）SMG类星体，利用光谱红移（GAMA、SDSS）匹配其总红外 luminosity 和尘埃温度，使其与高红移SMGs一致。
• 对其中16个类星体使用IRAM-30m望远镜进行12 CO(1–0)和12 CO(2–1)线观测，以测量其分子气体含量和激发态。
• 采用标准的 luminosity-to-mass 转换方法计算分子气体质量，并根据观测到的12CO(2–1)/12CO(1–0)线比值对CO激发态进行修正。
• 分析CO线轮廓，识别孤立盘或相互作用系统的动力学特征，将形态与气体动力学联系起来。
• 将观测到的CO luminosity 与红外 luminosity 及尘埃发射进行比较，检验L′_CO–L_IR 和 L′_CO–L_850 相关性的存在性及其离散程度。
• 利用近红外和光学成像对形态进行分类，评估相互作用情况，将结构特征与CO线轮廓关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 低红移SMG类星体在多大程度上重现了高红移SMGs所见的形态和动力学多样性？
• RQ2 低红移SMG类星体中CO激发态（12CO(2–1)/12CO(1–0)线比值）的变异性如何？这对从高-J CO跃迁外推分子气体质量估算有何影响？
• RQ3 低红移SMG类星体是否遵循高红移SMGs及其他星系中观测到的尘埃-气体 luminosity 相关性？
• RQ4 低红移SMG类星体的典型分子气体质量和耗尽 timescale 是什么？与高红移SMGs相比有何异同？
• RQ5 低红移类星体中观测到的双峰CO线轮廓是否可可靠解释为并合事件的标志？孤立旋转盘是否也会产生此类轮廓？

主要发现

• 低红移SMG类星体展现出广泛的形态多样性，包括孤立的恒星形成盘、相互作用系统以及红蓝源的集团，证实其与高红移SMGs具有相似的多样性。
• 12CO(2–1)/12CO(1–0)线比值在样本中显著变化，表明若无12CO(1–0)检测，仅从J≥2 CO跃迁外推分子气体质量存在高度不确定性。
• 样本的平均分子气体质量约为~1.6×10¹⁰ M☉，个体质量范围在~0.9至~2.5×10¹⁰ M☉之间，与高红移最 massive 的SMGs一致。
• 观测到的12CO(1–0)检测结果呈现出紧密的尘埃-气体 luminosity 相关性（L′_CO–L_850），支持极端星暴中尘埃与分子气体之间存在普遍关联。
• 尽管红外 luminosity 相似，CO luminosity 仍相差近一个数量级，表明总红外与CO luminosity 之间的相关性并非十分紧密，存在显著离散度。
• 气体耗尽 timescale 估计约为~100 Myr，表明这些系统中的当前恒星形成活动是短暂的，与强烈的爆发式活动一致。