[论文解读] The ALPINE-ALMA [CII] survey: Small Lya-[CII] velocity offsets in main-sequence galaxies at 4.4 < z < 6

P. Cassata, L. Morselli+31 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 115被引用 15

一句话总结

本研究利用ALMA [CII]与光学谱线对红移 4.4 < z < 6 的 53 个主序星系进行测量，分析 Lyα 与 [CII] 速度偏移。结果发现，90% 的星系具有较小的偏移（0 < Δv < 400 km s⁻¹），且该偏移与高 Lyα 等效宽度及逃逸率显著相关，表明在高红移时，Lyα 逃逸增强的主因是低中性氢柱密度（NHI）与低覆盖因子，而非高速外流。

ABSTRACT

The Lya line in the UV and the [CII] line in the FIR are widely used tools to identify galaxies and to obtain insights into ISM properties in the early Universe. By combining data obtained with ALMA in band 7 at ~ 320 GHz as part of the ALMA Large Program to INvestigate [CII] at Early Times (ALPINE) with spectroscopic data from DEIMOS at Keck, VIMOS and FORS2 at the VLT, we assembled a unique sample of 53 main-sequence star-forming galaxies at 4.4 < z < 6 in which we detect both the Lya line and the [CII]. We used [CII], observed with ALMA, as a tracer of the systemic velocity of the galaxies, and we find that 90% of the selected objects have Lya-[CII] velocity offsets in the range 0 < Dv_Lya-[CII] < 400 km/s, in line with the few measurements available so far in the early Universe, and significantly smaller than those observed at lower z. We observe ISM-[CII] offsets in the range -500 < Dv_ISM-[CII] < 0 km/s, in line with values at all redshifts. We find significant anticorrelations between Dv_Lya-[CII] and the Lya rest-frame equivalent width EW0(Lya) (or equivalently, the Lya escape fraction f_esc(Lya)). According to available models for the radiative transfer of Lya photons, the escape of Lya photons would be favored in galaxies with high outflow velocities, in agreement with our observations. The uniform shell model would also predict that the Lya escape in galaxies with slow outflows (0 < v_out < 300 km/s) is mainly determined by the neutral hydrogen column density (NHI), while the alternative model by Steidel+10 would favor a combination of NHI and covering fraction as driver of the Lya escape. We suggest that the observed increase in Lya escape that is observed between z~2 and z~6 is not due to a higher incidence of fast outflows at high redshift, but rather to a decrease in average NHI along the line of sight, or alternatively, a decrease in HI covering fraction. [abridged]

研究动机与目标

• 约束高红移主序星系中 Lyα 辐射与系统速度之间的动力学关系。
• 探究从 z ~2 到 z ~6 Lyα 逃逸率增加的物理驱动机制。
• 确定高红移时增强的 Lyα 辐射是由高速外流还是中性氢柱密度降低所主导。
• 利用 [CII] 作为可靠的系统速度示踪剂，测量 53 个红移 4.4 < z < 6 星系中 Lyα 与 ISM 的速度偏移。
• 通过将观测到的速度偏移与外流和弥散 ISM 情景下的辐射转移模型预测进行比较，检验 Lyα 逃逸的辐射转移模型。

提出的方法

• 利用 ALMA Band 7 观测测量 53 个红移 4.4 < z < 6 星系中 [CII] 158 μm 辐射，作为系统速度的示踪。
• 结合 Keck/DEIMOS、VLT/VIMOS 和 FORS2 的光学谱线观测，测量 Lyα 与 ISM 线速度。
• 通过比较各线红移相对于 [CII] 峰值速度的差异，计算 Lyα-[CII] 与 ISM-[CII] 速度偏移。
• 对形态-动力学结构（旋转星系、并合星系、弥散主导星系）进行分类，以评估空间与动力学的一致性。
• 从空间匹配区域重新提取 [CII] 谱线，以确认速度峰值未受多重组分影响。
• 应用辐射转移模型（均匀壳层模型与 Steidel 等 2010 年模型）解释观测到的偏移-逃逸率相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 4.4 < z < 6 的主序星系中，Lyα-[CII] 速度偏移的分布如何？与低红移系统相比有何差异？
• RQ2 高红移星系中，Lyα 速度偏移如何与 Lyα 本征等效宽度及逃逸率相关？
• RQ3 哪些 ISM 物理属性（如外流速度、中性氢柱密度 NHI 或覆盖因子）最能解释观测到的 Lyα 逃逸趋势？
• RQ4 从 z ~2 到 z ~6 Lyα 逃逸率的增加，是由高速外流发生率更高，还是 ISM 几何结构与密度变化所驱动？
• RQ5 [CII] 线轮廓与空间形态在多大程度上影响 [CII] 作为高红移星系系统速度示踪器的可靠性？

主要发现

• 在 53 个星系中，90% 的星系表现出 Lyα-[CII] 速度偏移在 0 < ΔvLyα−[CII] < 400 km s⁻¹ 范围内，显著小于低红移系统中观测到的值。
• 发现 ΔvLyα−[CII] 与 Lyα 本征等效宽度（EW0(Lyα)）及逃逸率 fesc(Lyα) 呈强烈负相关，即偏移越小，Lyα 辐射与逃逸越强。
• ISM-[CII] 速度偏移范围为 −500 < ΔvISM−[CII] < 0 km s⁻¹，与星系中存在外流一致，表明 ISM 动力学整体相对于 [CII] 峰值呈红移。
• 观测到的小 Lyα-[CII] 偏移与高 Lyα 逃逸之间的相关性，最合理的解释是视线方向上中性氢柱密度（NHI）低且覆盖因子低，而非高速外流。
• 从 z ~2 到 z ~6 Lyα 逃逸率的增加，并非由高红移时高速外流发生率更高所驱动，而是由 NHI 或覆盖因子降低所致。
• 数据更支持 Steidel 等（2010）模型，该模型强调系统速度处的 NHI 与覆盖因子在调节 Lyα 逃逸中的作用，而非仅依赖外流速度的模型。