[论文解读] The ALPINE-ALMA [CII] survey: Molecular gas budget in the Early Universe as traced by [CII]

M. Dessauges‐Zavadsky, M. Ginolfi+33 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 168被引用 11

一句话总结

本研究利用ALPINE-ALMA巡天在z=4.4–5.9红移区间内对118个主序星形成星系中的[ C II] 158 μm发射线作为分子气体的示踪剂，发现在z∼5.5时分子气体耗尽 timescale为(4.6±0.8)×10⁸ yr，仅比本地星系短2–3倍，表明恒星形成效率略有增强。在z∼3.7以上，气体分数趋于平缓，为63%±3%；前体建模揭示银河系类星系与更高质量晕中气体分数演化路径不同，表明外流、气体供应中止以及恒星形成效率过高共同维持了高红移大质量星系中的平台状气体分数。

ABSTRACT

The molecular gas content of normal galaxies at z>4 is poorly constrained, because the commonly used molecular gas tracers become hard to detect. We use the [CII]158um luminosity, recently proposed as a molecular gas tracer, to estimate the molecular gas content in a large sample of main-sequence star-forming galaxies at z=4.4-5.9, with a median stellar mass of 10^9.7 Msun, drawn from the ALMA Large Program to INvestigate [CII] at Early times (ALPINE) survey. The agreement between molecular gas masses derived from [CII] luminosity, dynamical mass, and rest-frame 850um luminosity, extrapolated from the rest-frame 158um continuum, supports [CII] as a reliable tracer of molecular gas in our sample. We find a continuous decline of the molecular gas depletion timescale from z=0 to z=5.9, which reaches a mean value of (4.6+/-0.8)x10^8 yr at z~5.5, only a factor of 2-3 shorter than in present-day galaxies. This suggests a mild enhancement of star formation efficiency toward high redshifts, unless the molecular gas fraction significantly increases. Our estimates show that the rise in molecular gas fraction as reported previously, flattens off above z~3.7 to achieve a mean value of 63%+/-3 over z=4.4-5.9. This redshift evolution of the gas fraction is in line with the one of the specific star formation rate. We use multi-epoch abundance matching to follow the gas fraction evolution over cosmic time of progenitors of z=0 Milky Way-like galaxies in 10^13 Msun halos and of more massive z=0 galaxies in 10^14 Msun halos. Interestingly, the former progenitors show a monotonic decrease of the gas fraction with cosmic time, while the latter show a constant gas fraction from z=5.9 to z~2 and a decrease at z<2. We discuss three possible effects, namely outflows, halt of gas supplying, and over-efficient star formation, which may jointly contribute to the gas fraction plateau of the latter massive galaxies.

研究动机与目标

• 利用[ C II] 158 μm光度作为示踪剂，估算高红移（z=4.4–5.9）主序星形成星系中的分子气体质量，因在这些红移下CO难以探测。
• 通过与动力学质量及rest-frame 850 μm光度比较，评估[ C II]作为分子气体示踪剂的可靠性。
• 利用多红移丰度匹配法，追踪银河系类及更高质量z=0星系前体在z=5.9至z=0之间的分子气体分数（f_molgas）演化。
• 探究导致大质量星系在高红移处气体分数平台现象的物理机制——外流、气体供应中止与恒星形成效率。

提出的方法

• 从ALMA对118个z=4.4–5.9红移星系的观测中测量[ C II] 158 μm光度，其星族质量中值为10⁹.⁷ M☉。
• 采用基于本地及高红移校准的[ C II]光度与分子气体质量（M_molgas）之间的校准关系，通过与动力学质量及850 μm连续谱光度对比验证其可靠性。
• 利用Behroozi等（2019）提出的多红移丰度匹配法，追踪10¹³ M☉与10¹⁴ M☉晕中前体的星族质量演化，重建宇宙时空中气体分数的演化。
• 将观测到的f_molgas演化与理论预期对比，识别低质量与高质量前体系统中f_molgas的红移依赖性行为。
• 分析f_molgas与星族质量的关系，发现z=4.4–5.9时存在显著的“向下尺寸化”效应。
• 评估恒星形成效率（SFE）、外流与气体供应中止在解释z>4大质量星系中f_molgas平台现象中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高红移（z=4.4–5.9）主序星形成星系中，[ C II] 158 μm发射是否是分子气体的可靠示踪剂？
• RQ2 从z=0到z=5.9，分子气体耗尽timescale如何演化？这在高红移恒星形成效率方面意味着什么？
• RQ3 银河系类星系（10¹³ M☉晕）与更高质量星系（10¹⁴ M☉晕）前体的分子气体分数（f_molgas）在红移上如何演化？
• RQ4 为何在大质量星系前体中，气体分数从z=5.9至z∼2保持近似恒定？其背后的物理机制可能是什么？
• RQ5 外流、气体供应中止与过高的恒星形成效率在多大程度上共同导致了大质量高红移星系中观测到的气体分数平台？

主要发现

• [ C II]光度与动力学质量及rest-frame 850 μm连续谱光度之间存在良好相关性，证实[ C II]在高红移星系中是可靠的分子气体示踪剂。
• 分子气体耗尽timescale从z=0至z=5.9持续减小，在z∼5.5时达到均值(4.6±0.8)×10⁸ yr，仅比本地星系短2–3倍。
• 在z=4.4–5.9区间，分子气体分数（f_molgas）趋于63%±3%，表明此前报道的气体分数上升趋势在z∼3.7以上趋于平缓。
• z=0银河系类星系（10¹³ M☉晕）的前体系统中，f_molgas随宇宙时间单调下降；而更高质量星系（10¹⁴ M☉晕）的前体系统中，f_molgas从z=5.9至z∼2保持平坦，随后在z<2时急剧下降。
• 大质量星系在z>4时f_molgas平台现象，可能由强恒星形成驱动的外流、早期气体供应中止以及过高的恒星形成效率共同导致，该结论得到模拟与观测支持。
• ALPINE星系中f_molgas的较大离散度（10%至95%）主要由星族质量驱动，反映了z=4.4–5.9时从大质量到低质量星系的显著“向下尺寸化”趋势。