[论文解读] Resolving the Interstellar Medium at the Peak of Cosmic Star Formation

G. Calistro Rivera, Jacqueline Hodge|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 1

一句话总结

本研究利用高分辨率ALMA观测，解析了红移z ~ 2.5的四颗亚毫米波星系中分子气体（通过CO J=3–2）和尘埃连续辐射的发射，揭示了气体、尘埃与恒星组分之间存在显著的非对齐现象。关键发现是，尘埃与气体表观尺寸的差异不一定是物理性的，而可能源于温度和光学厚度梯度，这挑战了高红移星系能量平衡建模中的既定假设。

ABSTRACT

The interstellar medium feeds both the formation of stars and the growth of black holes, making it a key ingredient in the evolution of galaxies. With the advent of the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), we can now probe the interstellar medium within high-redshift galaxies in increasingly exquisite detail. Our recent ALMA observations map the molecular gas and dust continuum emission in submillimetre-selected galaxies on 1–5 kpc scales, revealing significant differences in how the gas, dust continuum, and existing stellar emission are distributed within the galaxies. This study demonstrates the power of ALMA to shed new light on the structure and kinematics of the interstellar medium in the early Universe, suggesting that the interpretation of such observations is more complex than typically assumed.

研究动机与目标

• 研究高红移亚毫米波星系中分子气体与尘埃的空间分布及运动学特征。
• 检验高红移星系研究中标准假设的有效性，特别是气体、尘埃与恒星共位的假设。
• 评估尘埃连续辐射尺寸作为分子气体尺寸代理的可靠性。
• 约束早期宇宙中CO-to-H2转换因子（αCO）及其与星系性质的依赖关系。
• 评估温度与光学厚度梯度对观测到的尘埃与气体发射形态差异的影响。

提出的方法

• 对红移z ~ 2.5的四个ALESS SMGs进行了高分辨率（亚角秒级）ALMA Band 3 CO(3–2)发射观测。
• 将ALMA的CO数据与哈勃WFC3/ACS成像结合，以获取恒星光与尘埃连续辐射。
• 采用三维运动学建模（Galpak3D）重建气体运动学并推断动力学质量。
• 通过图像偏移分析比较气体、尘埃与恒星的空间分布。
• 应用辐射转移建模，引入径向递减的温度与光学厚度梯度，以模拟观测到的SED轮廓。
• 研究αCO与星 stellar 质量-光度比之间的相关性，以评估气体质量校准的不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高红移亚毫米波星系中，分子气体、尘埃与恒星组分在空间上有多大的共位程度？
• RQ2 温度与光学厚度梯度如何影响尘埃连续辐射与分子气体发射之间观测到的尺寸差异？
• RQ3 尘埃与气体之间的表观非对齐是否可由物理梯度而非物理解耦来解释？
• RQ4 这些空间偏移对高红移星系标准能量平衡建模有何影响？
• RQ5 在动力学质量测量中，尘埃连续辐射尺寸作为分子气体尺寸的代理有多可靠？

主要发现

• 仅用每源30分钟的ALMA积分时间，便在四颗SMGs中检测并解析了CO(3–2)发射，确认了光谱红移并显示其与尘埃连续辐射的空间重合。
• 在 ALESS 122.1 中，CO气体与恒星分布重合，但尘埃发射却与两者均存在偏移，表明尘埃与恒星发生了解耦。
• 尘埃连续辐射与分子气体共位，支持了二者均追踪星际介质的预期。
• 通过引入强温度与光学厚度梯度的辐射转移模型，可重现紧凑尘埃与扩展气体发射之间的表观尺寸差异。
• 发现CO-to-H2转换因子（αCO）显著高于银河系值（αCO ~ 4），且与星 stellar 质量-光度比呈强相关。
• 这些结果表明，关于共位性与恒定气体-尘埃比的既定假设可能在高红移星系研究中引入显著偏差。