[论文解读] Net-zero gas inflow: Measurement of the gas consumption history of a massive quiescent galaxy

Jan Scholtz, Francesco D’Eugenio+24 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2024

Astronomy and Astrophysical Research被引用 4

一句话总结

本研究利用深度ALMA观测，首次直接测量了红移z = 3.064的巨大小、宁静星系中的分子气体，揭示其分子气体质量极低（<10⁹.¹ M⊙），证实该星系为贫气星系。数据表明气体净流入为零，暗示反馈机制——无论是喷出性还是阻止性——必须精确平衡气体消耗与流入，才能维持其宁静状态。

ABSTRACT

JWST is discovering increasing numbers of quiescent galaxies 1--2 billion years after the Big Bang, whose redshift, high mass, and old stellar ages indicate that their formation and quenching were surprisingly rapid. This fast-paced evolution seems to require that feedback from AGN (active galactic nuclei) be faster and/or more efficient than previously expected \citep{Xie24}. We present deep ALMA observations of cold molecular gas (the fuel for star formation) in a massive, fast-rotating, post-starburst galaxy at $z=3.064$. This galaxy hosts an AGN, driving neutral-gas outflows with a mass-outflow rate of $60\pm20$ M$_{\odot}$ yr$^{-1}$, and has a star-formation rate of $&lt;5.6$ M$_{\odot}$ yr$^{-1}$. Our data reveal this system to be the most distant gas-poor galaxy confirmed with direct CO observations (molecular-gas mass $&lt; 10^{9.1}$ M$_{\odot}$; &lt;0.8 % of its stellar mass). Combining ALMA and JWST observations, we estimate the gas-consumption history of this galaxy, showing that it evolved with net zero gas inflow, i.e., gas consumption by star formation matches the amount of gas this galaxy is missing relative to star-forming galaxies. This could arise both from preventive feedback stopping further gas inflow, which would otherwise refuel star formation or, alternatively, from fine-tuned ejective feedback matching precisely gas inflows. Our methods, applied to a larger sample, promise to disentangle ejective vs preventive feedback.

研究动机与目标

• 测量红移z = 3.064的巨大小、宁静星系中的分子气体储量，以检验快速熄灭理论。
• 确定缺乏低温分子气体是由于喷出性反馈（气体被移除）还是阻止性反馈（吸积被中止）所致。
• 利用多波段数据重建该星系的气体消耗历史。
• 评估活动星系核反馈在驱动气体外流及熄灭早期巨大小星系恒星形成中的作用。

提出的方法

• 在1.2 mm波段进行深度ALMA观测，以探测CO(3-2)发射线，作为低温分子气体的示踪。
• 采用7小时积分时间，推导出CO(3-2)总流量的3σ上限（ICO < 0.033 Jy km s⁻¹）。
• 利用标准的CO-to-H₂转换因子（基准与保守校准），将流量上限转换为分子气体质量。
• 结合ALMA数据与JWST/NIRSpec MSA观测，测量电离气体与中性气体外流及恒星形成率。
• 通过比较气体质量、恒星形成率与外流速率，估算气体耗尽 timescale 与净气体流入率。
• 使用SED拟合与动力学建模，约束星系的恒星质量、年龄与运动学特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 该红移z = 3.064的巨大小、宁静星系中的分子气体质量是多少？
• RQ2 观测到的气体含量与同红移下星系形成星系的预期值相比如何？
• RQ3 缺乏分子气体是由于喷出性反馈（活动星系核驱动的外流）还是阻止性反馈（吸积被中止）所致？
• RQ4 该星系演化过程中净气体流入率是多少，其与恒星形成率和外流速率的关系如何？
• RQ5 该星系的宁静状态是否可由气体消耗与流入之间的平衡来解释，还是需要极端的反馈效率？

主要发现

• GS-10578中的分子气体质量被限制在<10⁹.¹ M⊙（95%上限），相当于其恒星质量的不足0.8%。
• 该星系拥有一个强大的II型活动星系核，其中性气体质量外流速率为60 ± 20 M⊙ yr⁻¹，显著超过其恒星形成率（<5.6 M⊙ yr⁻¹）。
• 恒星形成率与宁静状态一致，且低气体储备证实其为最早批明确的贫气巨大小宁静星系之一。
• 气体消耗历史表明净气体流入为零，意味着恒星形成所消耗的气体量恰好等于与星系形成星系相比所缺失的量。
• 缺乏分子气体最合理的解释是：要么喷出性反馈将气体移除，要么阻止性反馈中止了吸积，且在长时间尺度上无净流入。
• 该系统处于复杂环境，包含多个卫星星系与Lyα发射体，暗示其熄灭可能由并合驱动。