[论文解读] The ALPINE-ALMA [C II] survey: Luminosity function of serendipitous [C II] line emitters at z ∼5

Federica Loiacono, Roberto Decarli+34 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 119被引用 61

一句话总结

本研究基于ALPINE目标ALMA观测中偶然探测到的[C II]发射体样本，首次构建了z ∼5时的[C II] 158 µm光度函数（LF）。利用12个[C II]源（其中8个已确认，4个为候选体），根据其红移与ALPINE目标的接近程度划分为聚集子样本和场源子样本，研究发现宇宙恒星形成率密度（SFRD）约为紫外巡天结果的1.6倍，而聚集子样本的SFRD甚至高达约10倍，表明过密环境可能存在系统偏差，并强调了需要更大样本以准确约束高红移恒星形成。

ABSTRACT

We present the first [C II] 158 μm luminosity function (LF) at z ∼ 5 from a sample of serendipitous lines detected in the ALMA Large Program to INvestigate [C II] at Early times (ALPINE). A study of the 118 ALPINE pointings revealed several serendipitous lines. Based on their fidelity, we selected 14 lines for the final catalog. According to the redshift of their counterparts, we identified eight out of 14 detections as [C II] lines at z ∼ 5, along with two as CO transitions at lower redshifts. The remaining four lines have an elusive identification in the available catalogs and we considered them as [C II] candidates. We used the eight confirmed [C II] and the four [C II] candidates to build one of the first [C II] LFs at z ∼ 5. We found that 11 out of these 12 sources have a redshift very similar to that of the ALPINE target in the same pointing, suggesting the presence of overdensities around the targets. Therefore, we split the sample in two (a "clustered"and "field"subsample) according to their redshift separation and built two separate LFs. Our estimates suggest that there could be an evolution of the [C II] LF between z ∼ 5 and z ∼ 0. By converting the [C II] luminosity to the star-formation rate, we evaluated the cosmic star-formation rate density (SFRD) at z ∼ 5. The clustered sample results in a SFRD ∼10 times higher than previous measurements from UV-selected galaxies. On the other hand, from the field sample (likely representing the average galaxy population), we derived a SFRD ∼1.6 higher compared to current estimates from UV surveys but compatible within the errors. Because of the large uncertainties, observations of larger samples will be necessary to better constrain the SFRD at z ∼ 5. This study represents one of the first efforts aimed at characterizing the demography of [C II] emitters at z ∼ 5 using a mm selection of galaxies.

研究动机与目标

• 主要目标是利用仅通过[C II]发射选源的星系样本，构建z ∼5时首个[C II]光度函数，避免由紫外或红外预选带来的偏差。
• 评估[C II]发射体在z ∼5时宇宙恒星形成率密度（SFRD）中的作用，特别是与紫外选样本进行比较。
• 通过基于与ALPINE目标红移接近程度（|Δz| < 0.0154，对应|Δv| < 750 km s⁻¹）将样本划分为‘聚集’和‘场源’子样本，研究大尺度结构与星系聚集对[C II]光度函数的影响。
• 评估推导出的[C II]光度函数与现有模型及其他观测估计（包括连续谱选源）的一致性。

提出的方法

• 在118个ALPINE ALMA指向中开展盲搜谱线，重点分析偶然探测到的发射线。
• 评估检测的可靠性和完整性，保留14个高置信度线发射体（其中12个置信度超过85%）。
• 通过与多波段测光星表的空间位置交叉匹配，并利用光谱红移或测光红移，确定谱线来源。
• 将源分类为已确认的[C II]发射体（8个在z ∼5）、CO跃迁（2个在较低红移）以及[C II]候选体（4个对应体不明确或红移不确定）。
• 根据与ALPINE目标的红移差值（|Δz| < 0.0154，对应|Δv| < 750 km s⁻¹）将样本划分为‘聚集’和‘场源’子样本。
• 使用Schechter函数拟合，分别为聚集子样本和场源子样本构建独立的[C II]光度函数，并利用De Looze等人（2014）的校准方法将光度密度转换为恒星形成率密度（SFRD）。

实验结果

研究问题

• RQ1 当仅基于[C II]发射选源而非紫外或红外预选时，z ∼5时的[C II]光度函数是什么？
• RQ2 z ∼5时的[C II]光度函数与基于紫外选星系或连续谱选源推导出的光度函数相比如何？
• RQ3 观测到的[C II]光度函数在多大程度上受大尺度结构影响，表现为围绕ALPINE目标的源聚集？
• RQ4 从[C II]光度函数推导出的z ∼5时宇宙恒星形成率密度（SFRD）是多少？与当前基于紫外的估计相比如何？
• RQ5 从z ∼5到z ∼0，[C II]光度函数是否存在演化迹象？这对遮蔽恒星形成早期星系的作用有何启示？

主要发现

• 基于12个源（8个已确认的[C II]发射体和4个候选体）构建了z ∼5时的[C II]光度函数，这些源仅通过[C II]发射线选入，标志着该红移段首次实现此类光度函数。
• 12个源中有11个在相同指向中强烈聚集于ALPINE目标周围，红移差|Δz| < 0.0154（|Δv| < 750 km s⁻¹），表明其处于过密环境。
• 聚集子样本的光度函数显示其光度约为场源子样本的10倍，表明[C II]光度强烈依赖于环境。
• 场源子样本推导出的恒星形成率密度（SFRD）约为当前紫外估计值的1.6倍，尽管误差范围较大，表明此时尚无显著证据显示存在大量遮蔽恒星形成成分。
• 聚集子样本推导出的SFRD最高可达紫外估计值的约10倍，提示密集环境可能存在系统偏差，并强调了依赖聚集样本可能导致SFRD高估的风险。
• 观测到的[C II]光度函数暗示从z ∼5到z ∼0可能存在演化趋势，但该趋势需更大样本以克服统计不确定性加以确认。