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$\rm [C_{II}]$ 158 $\rm μm$ 发射作为星系恒星形成率的指标

$\rm [C_{II}]$ 158 $\rm μm$ emission as an indicator of galaxy star formation rate

Lichen Liang, Robert Feldmann, Norman Murray, Desika Narayanan, Christopher C. Hayward, Daniel Anglés-Alcázar, Luigi Bassini, Alexander J. Richings, Claude-Andr… 展开作者

Lichen Liang, Robert Feldmann, Norman Murray, Desika Narayanan, Christopher C. Hayward, Daniel Anglés-Alcázar, Luigi Bassini, Alexander J. Richings, Claude-André Faucher-Giguère, Dongwoo T. Chung, Jennifer Y. H. Chan, Doǧa Tolgay, Onur Çatmabacak, Dušan Kereš, Philip F. Hopkins

备注：
44 page, 24 figures, 8 tables and 8 appendices, accepted for publication in MNRAS. Key figures: fig. 16 & 17. Comments are welcome
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AI总结：

本文基于 FIRE 宇宙学模拟给出星系 $L_{\rm [C_{II}]}$/SFR 的解析关系，指出气体耗竭时间和金属丰度分别主导两类 $\rm [C_{II}]$ 亏损。

摘要：

对近邻恒星形成星系（SFG）的观测表明，其一次电离碳谱线光度（$L_{\rm [C_{II}]}$）与恒星形成率（SFR）之间存在紧密相关，这意味着 $L_{\rm [C_{II}]}$ 可能是一种有用的星系 SFR 示踪物。然而，人们发现其他一些星系族群具有比近邻 SFG 更低的 $L_{\rm [C_{II}]}{}/{}\rm SFR$，包括低红移和高红移的红外亮星暴星系，以及再电离时期（EoR）的一些中等恒星形成星系。这种“$\rm [C_{II}]$ 亏损”的起源尚不清楚。在本工作中，我们利用从 Feedback in Realistic Environments（FIRE）项目的宇宙学体积模拟和放大模拟中提取的、红移 $z=0-8$、恒星质量 $M_*\approx10^7-5\times10^{11}\\,M_\odot$ 的星系样本，研究星系的 $L_{\rm [C_{II}]}$-SFR 关系。我们用以下参数给出了星系 $L_{\rm [C_{II}]}$/SFR 的一个简单解析表达式：$\rm [C_{II}]$ 发射气体的质量分数（$f_{\rm [C_{II}]}$）、气体金属丰度（$Z_{\rm gas}$）、气体密度（$n_{\rm gas}$）和气体耗竭时间（$t_{\rm dep}{}={}M_{\rm gas}{}/{}\rm SFR$）。我们发现两种不同的物理机制区间：在富 $\rm H_2$（贫 $\rm H_2$）星系中，$t_{\rm dep}$（$Z_{\rm gas}$）是 $\rm [C_{II}]$ 亏损的主要驱动因素。观测到的红外亮星系和早期 EoR 星系的 $\rm [C_{II}]$ 亏损分别对应这两种不同区间，其成因分别是较短的气体耗竭时间和较低的气体金属丰度。我们的结果表明，$\rm [C_{II}]$ 亏损是星系的一种普遍现象；在应用由近邻 SFG 得到的恒定 $L_{\rm [C_{II}]}$-SFR 转换因子来估计高红移宇宙 SFR 密度，以及解释即将开展的 $\rm [C_{II}]$ 谱线强度映射实验的数据时，需要保持谨慎。

英文摘要：

Observations of local star-forming galaxies (SFGs) show a tight correlation between their singly ionized carbon line luminosity ($L_{\rm [C_{II}]}$) and star formation rate (SFR), suggesting that $L_{\rm [C_{II}]}$ may be a useful SFR tracer for galaxies. Some other galaxy populations, however, are found to have lower $L_{\rm [C_{II}]}{}/{}\rm SFR$ than the local SFGs, including the infrared-luminous, starburst galaxies at low and high redshifts, as well as some moderately star-forming galaxies at the epoch of re-ionization (EoR). The origin of this `$\rm [C_{II}]$ deficit' is unclear. In this work, we study the $L_{\rm [C_{II}]}$-SFR relation of galaxies using a sample of $z=0-8$ galaxies with $M_*\approx10^7-5\times10^{11}\,M_\odot$ extracted from cosmological volume and zoom-in simulations from the Feedback in Realistic Environments (FIRE) project. We find a simple analytic expression for $L_{\rm [C_{II}]}$/SFR of galaxies in terms of the following parameters: mass fraction of $\rm [C_{II}]$-emitting gas ($f_{\rm [C_{II}]}$), gas metallicity ($Z_{\rm gas}$), gas density ($n_{\rm gas}$) and gas depletion time ($t_{\rm dep}{}={}M_{\rm gas}{}/{}\rm SFR$). We find two distinct physical regimes, where $t_{\rm dep}$ ($Z_{\rm gas}$) is the main driver of the $\rm [C_{II}]$ deficit in $\rm H_2$-rich ($\rm H_2$-poor) galaxies. The observed $\rm [C_{II}]$ deficit of IR-luminous galaxies and early EoR galaxies, corresponding to the two different regimes, is due to short gas depletion time and low gas metallicity, respectively. Our result indicates that $\rm [C_{II}]$ deficit is a common phenomenon of galaxies, and caution needs to be taken when applying a constant $L_{\rm [C_{II}]}$-to-SFR conversion factor derived from local SFGs to estimate cosmic SFR density at high redshifts and interpret data from upcoming $\rm [C_{II}]$ line intensity mapping experiments.

机构、总结、中文摘要均由AI分析而来，可能存在错误，请以论文正文为准。

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