[论文解读] Measuring the HI content of individual galaxies out to the epoch of reionization with [CII]

K. E. Heintz, D. Watson+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 174被引用 50

一句话总结

本文通过伽马射线暴余晖直接标定 [C II]-H I 转换因子，实现了对红移 z ≈6 以内单个高红移星系中中性原子氢（H I）质量的首次稳健测量。该方法揭示，在 z ≈1 时 H I 质量超过恒星质量，且随红移增加而上升，至 z ∼6 时 H I 质量分数可达 ~60%，并显示出宇宙时空中气体相金属度的普遍负相关性。

ABSTRACT

The HI gas content is a key ingredient in galaxy evolution, the study of which has been limited to moderate cosmological distances for individual galaxies due to the weakness of the hyperfine HI 21-cm transition. Here we present a new approach that allows us to infer the HI gas mass $M_{ m HI}$ of individual galaxies up to $z\approx 6$, based on a direct measurement of the [CII]-to-HI conversion factor in star-forming galaxies at $z\gtrsim 2$ using $\gamma$-ray burst afterglows. By compiling recent [CII]-158 $\mu$m emission line measurements we quantify the evolution of the HI content in galaxies through cosmic time. We find that the HI mass starts to exceed the stellar mass $M_\star$ at $z\gtrsim 1$, and increases as a function of redshift. The HI fraction of the total baryonic mass increases from around $20\%$ at $z = 0$ to about $60\%$ at $z\sim 6$. We further uncover a universal relation between the HI gas fraction $M_{ m HI}/M_\star$ and the gas-phase metallicity, which seems to hold from $z\approx 6$ to $z=0$. The majority of galaxies at $z>2$ are observed to have HI depletion times, $t_{ m dep,HI} = M_{ m HI}/{ m SFR}$, less than $\approx 2$ Gyr, substantially shorter than for $z\sim 0$ galaxies. Finally, we use the [CII]-to-HI conversion factor to determine the cosmic mass density of HI in galaxies, $ ho_{ m HI}$, at three distinct epochs: $z\approx 0$, $z\approx 2$, and $z\sim 4-6$. These measurements are consistent with previous estimates based on 21-cm HI observations in the local Universe and with damped Lyman-$\alpha$ absorbers (DLAs) at $z\gtrsim 2$, suggesting an overall decrease by a factor of $\approx 5$ in $ ho_{ m HI}(z)$ from the end of the reionization epoch to the present.

研究动机与目标

• 为克服 21-cm 线探测的局限性（仅对单个星系可行至 z ≈0.4），开发一种 H I 气体含量的替代示踪剂。
• 将 [C II]-158 µm 线的光度校准为高红移星系中 H I 质量的直接示踪剂，避免对气体物理条件的假设。
• 量化从 z ≈6 到现今 H I 气体含量的演化，包括其与金属度和恒星形成率的关系。
• 利用新标定方法测量 z ≈0、z ≈2 和 z ∼4–6 时的共动 H I 质量密度 ρHI(z)，并与现有估计进行比较。
• 评估 [C II] 作为探测 21-cm 观测能力之外区域（尤其是再电离时期）H I 含量的潜力。

提出的方法

• 利用甚大望远镜（VLT）X-shooter 对 15 个红移 z ≳2 的伽马射线暴余晖进行高信噪比光谱观测，通过 Lyman-α 吸收直接测量 H I 柱密度，通过 λ1335.7 吸收测量 [C II]* 柱密度。
• 基于伽马射线暴宿主星系星际介质视线中的观测丰度比，推导出经验性的 [C II]-to-H I 转换因子 β[CII] ≡ MHI / L[CII]。
• 将所推导的 β[CII] 标定应用于 z ≈2–6 的现有 [C II]-发射星系样本，以推断单个 H I 质量。
• 利用 z ≈0、z ≈2 和 z ∼4–6 时的 [C II] 光度函数，通过 ρHI(z) = β[CII] × L[CII](z) 计算共动 H I 质量密度 ρHI(z)。
• 将推断出的 ρHI(z) 与以往来自 21-cm 巡天和吸收体（DLAs）的估计进行比较。
• 研究 H I 气体分数 MHI/M⋆、气体相金属度 12+log(O/H) 与 H I 耗尽 timescale tdep,HI = MHI/SFR 在宇宙时空中之关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以可靠地将 [C II]-158 µm 线校准为高红移星系中 H I 质量的示踪剂，且独立于对气体条件的假设？
• RQ2 H I 气体质量分数 MHI/M⋆ 从 z ≈6 到 z = 0 如何演化，H I 质量在何时超过恒星质量？
• RQ3 在宇宙时空中（从 z ≈6 到 z = 0）是否存在 H I 气体分数与气体相金属度之间的普遍关系？
• RQ4 在 z ≳2 时 H I 耗尽 timescale tdep,HI = MHI/SFR 是多少，与本地星系相比如何？
• RQ5 共动 H I 质量密度 ρHI(z) 从 z ∼4–6 到现今如何演化，是否与 DLA 和 21-cm 观测一致？

主要发现

• 在 z ≈1 时 H I 质量超过恒星质量 M⋆，且 H I 质量分数 MHI/M⋆ 从 z = 0 时的 ~20% 增加至 z ∼6 时的 ~60%。
• 在 z ≈6 至 z = 0 的宇宙时空中，发现 H I 气体分数 MHI/M⋆ 与气体相金属度 12+log(O/H) 存在普遍负相关性。
• 绝大多数红移 z ≳2 的星系具有 H I 耗尽 timescale tdep,HI < 2 Gyr，显著短于本地星系（z ≈0）中观测到的 ≈5–10 Gyr。
• 在 z ∼4–6 时测得的共动 H I 质量密度 ρHI(z) 为 1.6+0.5−0.4 × 10⁸ M⊙ Mpc⁻³，约为 z ≈0 时的 ≈5 倍，与 DLA 和 21-cm 估计一致。
• ρHI(z) 的演化最符合幂律函数 ρHI(z) = 3 × 10⁷(1 + z)⁰.⁸⁵ M⊙ Mpc⁻³，预测 z = 0 时的 H I 质量密度比以往估计低约 2 倍。
• 在 z ∼4–6 时，H I 质量平均上与总动力学质量 Mdyn 一致，表明 H I 主导了星际介质的质量预算；而在 z ≈2 时，分子气体的贡献更为显著。