[论文解读] The ALMA-ALPAKA survey I: high-resolution CO and [CI] kinematics of star-forming galaxies at z = 0.5-3.5

Francesca Rizzo, Fernanda Roman-Oliveira+14 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2023

Spectroscopy and Laser Applications参考文献 8被引用 4

一句话总结

本研究介绍了ALPAKA调查，利用档案ALMA数据对红移z = 0.5–3.5的28个星系中的CO和[CI]发射线进行了高分辨率运动学分析。结果显示，28个星系中有19个为旋转盘状星系，具有较高的V/σ比值（中位数为9⁺⁷₋₂），表明其运动具有有序性，并提供了迄今为止最大规模的空间分辨冷气体运动学样本，涵盖大质量、高红移星系。

ABSTRACT

Spatially-resolved studies of the kinematics of galaxies provide crucial insights into their assembly and evolution, enabling to infer the properties of the dark matter halos, derive the impact of feedback on the ISM, characterize the outflow motions. To date, most of the kinematic studies at z=0.5-3.5 were obtained using emission lines tracing the warm, ionized gas. However, whether these provide an exhaustive or only a partial view of the dynamics of galaxies and of the properties of the ISM is still debated. Complementary insights on the cold gas kinematics are therefore needed. We present ALPAKA, a project aimed at gathering high-resolution observations of CO and [CI] emission lines of star-forming galaxies at z=0.5-3.5 from the ALMA public archive. With 147 hours of total integration time, ALPAKA assembles ~0.25'' observations for 28 star-forming galaxies, the largest sample with spatially-resolved cold gas kinematics as traced by either CO or [CI] at z>0.5. By combining multi-wavelength ancillary data, we derive the stellar masses ($M_{\star}$) and star-formation rates (SFR) for our targets, finding values of $M_{\star}\gtrsim 10^{10}$ M$_{\odot}$ and SFR of 10-3000 M$_{\odot}$/yr. A large fraction of ALPAKA galaxies (19/28) lie in overdense regions (clusters, groups, and protoclusters). We exploit the ALMA data to infer their dynamical state and we find that 19/28 ALPAKA galaxies are rotating disks, 2 are interacting systems, while for the remaining 7 sources the classification is uncertain. The disks have velocity dispersion values that are typically larger in the innermost regions than in the outskirts, with a median value for the entire disk sample of 35$^{+11}_{-9}$ km/s. Despite the bias of our sample towards galaxies hosting very energetic mechanisms, the ALPAKA disks have high ratios of ordered-to-random motion ($V/σ$) with a median value of 9$^{+7}_{-2}$.

研究动机与目标

• 利用档案ALMA数据，构建一个大规模、高分辨率的星系在z = 0.5–3.5的冷气体运动学样本。
• 通过分析CO和[CI]发射线作为冷气体运动学的示踪剂，研究高红移星系的动力学状态。
• 将冷气体运动学与现有的暖气体示踪剂（如Hα）进行比较，评估在星系演化研究中运动学诊断的完整性。
• 研究反馈、吸积与环境在塑造高红移大质量、高恒星形成率星系运动学结构中的作用。

提出的方法

• 从公开档案中收集并重新处理高分辨率ALMA观测数据，获得约0.25角秒的角分辨率，针对CO和[CI]发射线。
• 将ALMA数据与多波段地面和空间观测的辅助数据相结合，推导出28个目标星系的恒星质量（M⋆）和恒星形成率（SFR）。
• 应用3D Barolo模型对运动学进行建模，从CO和[CI]发射立方体中提取旋转曲线和速度 dispersion 分布。
• 基于动力学诊断，将星系按运动学形态分类为旋转盘、相互作用系统或不确定情况。
• 计算盘状星系的V/σ和σ中位数值，以量化星际介质中有序运动与湍流的程度。
• 公开发布所有数据立方体和运动学剖面，以支持社区范围的后续研究。

实验结果

研究问题

• RQ1 在z = 0.5–3.5范围内，大质量星系的运动学状态如何，其冷气体运动学表现为何？
• RQ2 高红移盘状星系的速度 dispersion 分布和V/σ比值与本地星系及宇宙学模拟结果相比如何？
• RQ3 与CO和[CI]等冷气体示踪剂相比，暖气体示踪剂（如Hα）在多大程度上能完整呈现星系的运动学特征？
• RQ4 环境密度增强区域（如星系团、星系群、原星系团）如何影响高红移星系的运动学结构？
• RQ5 所观测到的运动学特性对平滑气体吸积、反馈机制及暗物质晕结构的作用有何启示？

主要发现

• ALPAKA调查提供了迄今为止最大规模的空间分辨冷气体运动学样本，涵盖红移z ≥ 0.5的星系，共28个星系，角分辨率约为0.25角秒。
• 28个星系中有19个被分类为旋转盘状星系，表明在大质量、高红移星系中，有序旋转主导了其运动学特征。
• 盘状星系的中位数V/σ比值为9⁺⁷₋₂，表明其相对于随机运动具有强烈的有序运动，即使在具有强烈反馈机制的星系中也是如此。
• 盘状星系样本的中位数速度 dispersion（σ）为35⁺¹¹₋₉ km s⁻¹，且内区值更高，表明中心区域湍流增强。
• 样本中很大比例（19/28）位于高密度环境，提示环境效应可能影响其运动学结构，但此结论仍需进一步研究验证。
• 本调查公开发布了所有数据立方体和运动学剖面，为未来研究高红移星系中冷气体动力学与反馈机制奠定了重要遗产资源。