极端贫金属星系：星际介质的多波段研究

The local extremely low metallicity galaxies (Z<Zsun/10) offer a unique laboratory to studying formation of protogalaxies and understanding galaxy formation at the low metallicity end. Building on our previous works, we propose to carry out further multi-wavelength studies of extremely metal-poor galaxies with a PI-approved ALMA program along with archived data of ALMA, Herschel and VLA: (1) to characterize the properties of carbon monoxide (CO) gas clouds with first-hand ALMA data; (2) to quantify the CO conversion factor based on the dynamical mass using ALMA data; (3) to quantify the dependence of the IR-radio relationship with Herschel and VLA archived data on the metallicity; (4) to characterize spatially resolved IR-radio relationships to understand local ISM properties in these galaxies. The PI-approved ALMA program is the first one that offers spatially resolved maps of carbon monoxide in extremely metal poor galaxies. The sample for the IR-radio relationship will be the largest Herschel nearby galaxy sample with the metallicity measurements.

邻近极端贫金属星系是研究宇宙原始星系，以及理解低金属丰度条件下星系形成和演化的重要天文实验室。申请人将在前期工作的基础上，利用作为负责人申请到的ALMA第一手数据结合ALMA、Herschel和VLA的存档数据对极端贫金属星系的星际介质特性开展进一步的基于多波段数据的深入研究，具体包括如下四个研究内容：(1)利用第一手的ALMA数据探索极端贫金属星系一氧化碳气体云的物理特性;(2)结合ALMA存档数据通过动力学方法来确立一氧化碳转化因子随金属丰度的变化趋势;(3)利用Herschel和VLA存档数据研究红外-射电关系随金属丰度的变化趋势;(4)通过研究极端贫金属星系空间分解的红外-射电关系来了解其星际介质的局域物理特性。本项目所涉及的ALMA观测是国际上首次对极端贫金属星系分子气体的高空间分辨率图像，所构建的用于研究红外-射电关系的样本是有金属丰度测量的最大Herschel邻近星系样本。

邻近极端贫金属星系是宇宙中金属含量最低的一类矮星系。相比较于大质量星系，这类星系的星际介质由于其电磁辐射非常弱使得天文观测非常困难，也是当前矮星系领域的一个重要挑战。本项目基于已经批准的第一手ALMA数据，结合存档的红外和射电数据，从两个方面对矮星系的星系介质开展了研究，包括分子气体的性质，以及红外-射电关系。本项目按照项目计划书顺利完成了对上述问题的研究，共发表了15篇第一作者/通讯作者论文。取得的成果包括（1）基于ALMA的pc尺度的高空间分辨率的数据，揭示了贫金属丰度星系DDO 70中的分子气体团块的尺度比银河系分子云中的团块更大，证实了贫金属气体因为温度高导致金斯质量大、使得气体无法有效碎裂、从而形成尺寸更大的气体团块的理论。（2）基于上述ALMA的数据，本项目搜寻了极端贫金属星系致密分子气体CS J=5-4的发射，发现其上限偏离了L_CS-L_IR以及L_CS-SFR的关系。暗示极端贫金属星系中可能很难形成CS这种致密分子气体。（3）基于NOEMA的深曝光，揭示了最贫金属丰度之一的星系--IZw 18中极端弱的CO发射，对应的上限比文献中已有的上限降低了40倍，表明了其星际介质的结构与一般矮星系非常不同。（4）基于所构建的26个金属丰度小于8.1的具有红外和射电测量的星系，发现贫金属星系具有比高金属丰度星系更低的平均q值（红外/射电比值），且随着红外波长的增加，两者的平均q值差别更大。其物理起因是贫金属星系的低消光和更高的尘埃温度。