ALMA亚毫米分子和原子谱线成像观测：近邻、遥远星系中的恒星形成区探测和恒星形成率定量的全新方法

This proposal covers two approved, top-rated ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) Cycle-3 programs (with observations to be carried out in 2016) that use novel ways to explore and characterize star formation (SF), interstellar gas and their interplay in galaxies both locally and at high redshifts (z). The first program aims at using ALMA high-resolution, spectral line imaging in CO (6-5) to unveil the distribution of dense and warm molecular gas and related on-going SF in the dusty nuclei of a sample of representative local luminous IR galaxies (LIRGs), at linear resolutions better than 50 pc, the typical size of giant molecular clouds (GMCs) in Milky Way. This program is built upon our Herschel Space Observatory’s spectroscopic survey of a large sample of local LIRGs, which demonstrated that a mid-J CO rotational transition, such as CO (6-5) or CO (7-6), is not only an excellent on-going SF tracer, but a robust one that is free from both dust extinction and AGN contamination. The second program pioneers a spectral line snapshot-type survey of CO (7-6) and the [NII] 205 µm line on a sample of both (a) luminous galaxies and (b) L*-class galaxies with sub-solar metallicities at z ~ 5. The main goal is to validate a novel method of using only these two spectral lines (and the underlying dust continuum flux at 372 µm) to derive a suite of important parameters in a distant galaxy, including the SF rate (SFR), dust and gas masses, SF efficiency, effective dust temperature or SFR surface density and effective size of star-forming region. We further control the low-metallicity effect on these parameters by including existing data of the [CII] 158 µm line. This ALMA survey will generate the largest data set on the [NII] 205 µm line at z ~ 5 and will lay the ground work for our future ambition of applying this simple, yet robust and efficient method to a much larger sample of galaxies at 4 < z < 6. The outcome of our program shall also benefit the science operation of China's forthcoming Antarctic submillimeter telescope (i.e., DATE5).

本提案包括两项已得到ALMA Cycle-3(于2016观测)最高优先级望远镜时间的亚毫米观测项目, 旨在用全新的方法测量近邻和遥远星系中恒星形成，星际气体分布和两者之间的关系。第一项是用CO(6-5)分子谱线的高分辨率(< 50 pc)成像来探测邻近，消光极强的亮红外星系核中致密气体是如何形成恒星的，从而更好理解这些星系核中的星爆和它们的最终演化途径。 第二项是对红移5左右的亮星系和L＊量级的普通星系的CO(7-6)和电离氮[NII]205微米谱线进行“快速”成像，以得到这些谱线的流量。这些数据将使我们能定量估算每个高红移星系中包括恒星形成率, 尘埃质量和温度，气体质量，气体形成恒星的效率，恒星形成率面密度等一系列重要参数。此项工作是历史开拓性的，不仅为将来应用此法对高红移星系的恒星形成率进行精确和快捷的巡天观测打下基础，也为将来中国的南极太赫兹望远镜科学运行提供宝贵的经验。

主要研究内容: 我们对以下观察项目进行了数据处理和科学分析：（a）两个用ALMA亚毫米.观测项目 －用CO(6-5)分子谱线的高分辨率(< 50 pc)成像来探测邻近, 消光极强的亮红.外星系核（LIRGs）中致密气体是如何形成恒星的和对红移5左右的亮星系的微米谱线成像；.（b）Herschel空间望远镜对121邻近LIRGs进行全通量谱线调查。 这些观测项目涵盖的.谱线包括中-J CO线（3 <J <14)，[CII] 158 um，[CI] 370 um 和 [NII] 205um。 .我们的研究目标是多种多样的，包括以下针对当前项目的两个直接目标：（i）提供所有.谱线的最佳参数（通量，线宽等），以及（ii）用统计方法和个案研究的方式探索和表征.恒星形成（SF），星际气体，以及他们的相互作用。 .. 重要结果和关键数据: （1）我们发布了目前邻近LIRGs规模最大最全面的 CO，[CI] 和.[NII]谱线数据库。（2）我们发表了ALMA高分辨率CO（6-5）成像的最大LIRG样本。 .（3）我们提供了最大的，有完整的［CII] ， CO（7-6），［CI] 370um 和[NII] 探测的.z～5的星系样本。 所有这些数据都是以前未获得过的。 它们在未来邻近和遥远星系研.究中一定会发挥重要的意义 。 ..科学意义: 在我们发表的7个核心出版物（请参阅随附的出版物列表)中, 我们还提.出了一系列科学发现。 例如，我们证明了CO（6-5）或 CO（7-6）线的光度是极好的.和健壮的SF示踪剂，与星系是否承载AGN无关。我们还定义一种将CO（7-6）与另一.条原子气体冷却线组合的新颖方法推断高红移星系的许多重要参数，包括恒星形成率，.恒星形成率表面密度，粉尘温度，分子气体质量，气体消耗时间。 我们还第一次展.示了在LIRG星系核中，在小于100 pc的尺度上，致密分子气体和尘埃辐射开始在空间.相互有绰开，从而证明SF导致的激波加热了致密热分子气体。光我们发表的Herschel.（价值83.5小时的望远镜时间； 每小时观测成本约为10万美元）和ALMA数据（18小时；.每小时成本约6.5万美元) 代表目前最先进的红外和亚毫米光谱数据。仅基于这一事实，.NSFC为该项目提供的65W人民币的支持无疑为NSFC带来了极为丰厚的回报。 .