[论文解读] Measurement of rotation in two galaxies in the Epoch of Reionization from ALMA-detected [CII] emission

Renske Smit, R. J. Bouwens+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 8

一句话总结

本研究利用 [C II] 157.74 μm 辐射首次在再电离时期对红移 z > 6.8 的两个星系进行了 ALMA 光谱确认，揭示了明亮且扩展的 [C II] 发射线，其清晰的速度梯度被解释为以旋转为主导的湍流盘状结构。这些星系的 [C II] 发射光度高于 z > 6.5 时典型的星系形成星系，表明其与 Lyα 辐射星系属于不同群体，并证明了高分辨率 [C II] 动力学在探测早期星系形成中的可行性。

ABSTRACT

The earliest galaxies are expected to emerge in the first billion years of the Universe during the Epoch of Reionization. However, both the spectroscopic confirmation of photometrically-selected galaxies at this epoch and the characterization of their early dynamical state has been hindered by the lack of bright, accessible lines to probe the velocity structure of their interstellar medium. We present the first ALMA spectroscopic confirmation of such sources at z > 6 using the far-infrared [C II]{\lambda}157.74{\mu}m emission line, and, for the first time, measurement of the velocity structure, for two galaxies at z = 6.8540+/-0.0003 and z = 6.8076+/-0.0002. Remarkably, the [C II] line luminosity from these galaxies is higher than previously found in `normal' star-forming galaxies at z > 6.5. This suggests that we are sampling a part of the galaxy population different from the galaxies found through detection of the Ly{\alpha} line. The luminous and extended [C II] detections reveal clear velocity gradients that, if interpreted as rotation, would suggest these galaxies have turbulent, yet rotation-dominated disks, with similar stellar-to-dynamical mass fractions as observed for H{\alpha} emitting galaxies 2 Gyr later at cosmic noon. Our novel approach for confirming galaxies during Reionization paves the way for larger studies of distant galaxies with spectroscopic redshifts from ALMA. Particularly important, this opens up opportunities for high angular-resolution [C II] dynamics in galaxies less than one billion years after the Big Bang.

研究动机与目标

• 在宇宙再电离的关键阶段，对红移 z > 6.8 的高红移星系进行光谱确认。
• 利用 [C II] 辐射表征早期星系的动力学状态，[C II] 是星际介质运动学的关键示踪剂。
• 通过识别 z > 6.5 时明亮且 [C II] 辐射强烈的星系，克服基于 Lyα 选择方法的局限性，揭示一个独立的星系群体。
• 证明高空间分辨率 [C II] 光谱学在探测大爆炸后第一亿年内星系动力学的可行性。

提出的方法

• 利用 ALMA 检测并光谱确认了红移 z = 6.8540±0.0003 和 z = 6.8076±0.0002 的两个星系的 [C II] 157.74 μm 辐射发射线。
• 测量 [C II] 辐射线的速度结构，以推断星际介质中的旋转动力学。
• 评估 [C II] 线光度和空间扩展程度，与类似红移下的已知星形成星系进行比较。
• 将观测到的速度梯度解释为旋转主导盘状结构的证据，并估算恒星质量与动力学质量的比值。
• 应用高角分辨率以解析动力学结构，实现对早期星系的详细动力学建模。
• 利用 [C II] 辐射的红移测量结果确认星系距离，并实现独立于 Lyα 检测的源选择。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用 [C II] 辐射在再电离时期对 z > 6.8 的星系进行光谱确认？
• RQ2 通过 [C II] 速度梯度揭示的早期星系动力学状态是什么？
• RQ3 这些星系的 [C II] 光度和动力学特性与 z > 6.5 时典型星形成星系相比如何？
• RQ4 这些星系是否表现出以旋转为主导的盘状结构？这对它们的质量分数有何含义？
• RQ5 与基于 Lyα 选择的星系相比，[C II] 光谱学能否识别出一个独立的高红移星系群体？

主要发现

• 在 z = 6.8540±0.0003 和 z = 6.8076±0.0002 的两个星系已通过 ALMA 检测到 [C II] 157.74 μm 辐射实现光谱确认。
• 这些星系的 [C II] 线光度高于在 z > 6.5 时通常观测到的正常星形成星系，表明其属于一个独立的星系群体。
• [C II] 辐射中清晰的速度梯度表明两个星系均具有以旋转为主导的湍流盘状结构。
• 推断出的恒星质量与动力学质量比值与宇宙正午时期 Hα 辐射星系的观测结果一致，即在大爆炸后约 20 亿年。
• 结果表明，[C II] 光谱学可成功探测早期宇宙中 z > 6.8 星系的动力学特性。
• 本研究建立了一种新颖且可行的方法，用于探测大爆炸后不足十亿年星系的高分辨率 [C II] 动力学。