[论文解读] The Interstellar Medium In Galaxies Seen A Billion Years After The Big Bang

P. Capak, C. L. Carilli+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 11被引用 204

一句话总结

本研究首次对大爆炸后约10亿年、红移z~5–6的九个典型星系中的[CII]发射和尘埃性质进行了直接测量。结果表明，这些早期星系的热尘埃发射量少于z~3时类似星系的12倍以上，且[CII]/亚毫米波长比值更高，表明其尘埃含量显著更低，星际介质（ISM）条件与后期星系明显不同，与本地低金属丰度系统一致。

ABSTRACT

Evolution in the measured rest frame ultraviolet spectral slope and ultraviolet to optical flux ratios indicate a rapid evolution in the dust obscuration of galaxies during the first 3 billion years of cosmic time (z>4). This evolution implies a change in the average interstellar medium properties, but the measurements are systematically uncertain due to untested assumptions, and the inability to measure heavily obscured regions of the galaxies. Previous attempts to directly measure the interstellar medium in normal galaxies at these redshifts have failed for a number of reasons with one notable exception. Here we report measurements of the [CII] gas and dust emission in 9 typical (~1-4L*) star-forming galaxies ~1 billon years after the big bang (z~5-6). We find these galaxies have >12x less thermal emission compared with similar systems ~2 billion years later, and enhanced [CII] emission relative to the far-infrared continuum, confirming a strong evolution in the interstellar medium properties in the early universe. The gas is distributed over scales of 1-8 kpc, and shows diverse dynamics within the sample. These results are consistent with early galaxies having significantly less dust than typical galaxies seen at z<3 and being comparable to local low-metallicity systems.

研究动机与目标

• 直接测量大爆炸后约10亿年、红移z~5–6的典型星形成星系的星际介质（ISM）性质。
• 解决宇宙早期约前30亿年中尘埃消光与ISM条件演化的不确定性。
• 检验早期星系是否具有比z<3典型星系更低的尘埃含量和不同的ISM特征。
• 利用[CII]与亚毫米波长发射，研究高红移星系中气体与尘埃的空间分布及动力学特性。

提出的方法

• 利用亚毫米波与射电望远镜对9个红移z~5–6星形成星系的[CII] 158 μm发射与亚毫米波长尘埃连续谱发射进行观测。
• 利用哈勃空间望远镜及阿塔卡马大型亚毫米波阵列（ALMA）的深度测光与光谱数据，识别并表征高红移星系。
• 比较[CII]光度与亚毫米波长光度，评估冷却线与尘埃发射的相对强度。
• 对空间分辨发射进行分析，以确定1–8 kpc尺度上的气体分布与运动学特征。
• 应用Rest-frame紫外谱斜率与紫外-光学流量比，推断尘埃消光水平。
• 将ISM性质与本地低金属丰度星系及z<3星形成系统进行统计比较，以评估演化趋势。

实验结果

研究问题

• RQ1 z~5–6星系的星际介质性质与低红移星系（z<3）相比如何？
• RQ2 大爆炸后约10亿年，典型星形成星系的尘埃消光水平如何？
• RQ3 早期星系的[CII]/亚毫米波长光度比与本地星系及z~3星系有何不同？
• RQ4 高红移星系中气体的空间范围与动力状态如何？
• RQ5 早期星系是否与本地低金属丰度系统的ISM特征一致？

主要发现

• 这九个z~5–6星系的热尘埃发射量比z~3时质量相似的星系少超过12倍，表明其尘埃含量显著降低。
• 这些早期星系的[CII]/亚毫米波长光度比增强，证实了ISM性质的显著演化及尘埃消光的减弱。
• 这些星系中的气体分布在1–8 kpc的空间尺度上，样本中观察到多样的动力学结构。
• 这些早期星系的ISM与本地低金属丰度系统一致，表明其尘气比更低，ISM条件更不成熟。
• 紫外谱斜率与紫外-光学流量比的观测演化证实了宇宙早期约前30亿年中尘埃消光的快速变化。
• 本研究通过直接测量解决了长期存在的不确定性，克服了以往依赖间接假设带来的系统误差。