Revealing the origin and properties of the energy sources in local luminous infrared galaxies with a next generation space telescope

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21H01129
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: 稲見 華恵 広島大学, 宇宙科学センター, 助教 (20841943)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: 赤外線天文学 / 赤外線銀河 / 銀河形成 / 銀河進化

Outline of Annual Research Achievements

本年度にジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を用いて取得を予定していた全てのデータが揃った。空間および波長方向を含む3次元の面分光データを主に扱い、データのキャリブレーションを集中的に実施し、科学的解析のための補正を行った。
特に、近傍宇宙にある高光度赤外線銀河のターゲットのうちの1つは衝突最中の銀河システムであり、この銀河がもつガスとダスト輝線の光度や運動を測定することで、銀河のエネルギー源や周辺の星形成への影響を調べた。衝突する2つの銀河のうち、1つは激しい星形成がエネルギー源だと考えられているが、しかし、もう一方は巨大ブラックホールの可能性が示唆されつつも確実な結果はまだ出ていなかった。そのため、本年度の研究では特にこの銀河に着目し、主に水素分子ガスとダスト固体粒子の輝線を調査した。銀河中心から対象となる位置に、水素分子ガスの輝線プロファイルが赤方偏移または青方偏移した波長でもう1つのピークがあるダブルピークを持つことを発見し、300K程のあたたかい水素分子ガスのアウトフローが見つかった。このアウトフローは冷たいガスを示唆する一酸化炭素分子でも発見されているが、両者の空間的広がりも速度場も非常に似ていた。両者を比較しながら合わせて調査することで、アウトフローがもつエネルギーを特定した。これらの結果から、銀河中心でアウトフローを生じさせたエネルギー源は巨大ブラックホールである可能性が高いことを見出すことができた。また、アウトフローが存在する周辺で、星形成の指標となるダスト固体粒子からの輝線強度を調べたところ、銀河面の他の領域での星形成と優位な差は見られず、フィードバックによる星形成への直接的な影響は見られなかった。本研究では、ジェームズ・ウェッブの高感度・高空間分解観測により、これまで不可能だった銀河中心とその周辺での詳細な中間赤外線での調査を実現させた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡打ち上げの遅れにより、当初は本研究で使用するデータ取得にも遅れがあったが、本年度中に全てのデータが揃った。本年度は主に面分光観測によって取得したデータを扱ったが、面分光データは空間および波長方向を含む3次元の情報をもつためにデータ補正が複雑であるが、パイプラインが継続的に改良されたこと等により、順調に完了することが出来た。データ補正に引き続き科学解析も順調に進み、ガス輝線からの光度のみならず、当初の予定通りガスの運動も調査することができ、査読論文を投稿中である。

Strategy for Future Research Activity

今年度は主にガスに着目した研究を中心に進めたが、今後はダストも合わせて調査する予定である。特に、ダストに起因する減光やそれが示唆する星形成の成因や周辺環境を調査する。また、これまでは個々の銀河について調査していたが、複数の銀河について統計的に調査する手法にも取り組み始めたい。新たな成果は迅速に国内外での研究会で発表し、様々な意見交換を通じて更に研究を発展させる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] California Institute of Technology/University of Virginia/University of California(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: California Institute of Technology/University of Virginia/University of California
  • # of Other Institutions: 5
• [Int'l Joint Research] FORTH/University of Crete(ギリシャ)
  • Country Name: GREECE
  • Counterpart Institution: FORTH/University of Crete
• [Int'l Joint Research] Leiden University(オランダ)
  • Country Name: NETHERLANDS
  • Counterpart Institution: Leiden University
• [Int'l Joint Research] European Space Agency/Universitat de Barcelona(スペイン)
  • Country Name: SPAIN
  • Counterpart Institution: European Space Agency/Universitat de Barcelona
• [Int'l Joint Research] Chalmers University of Technology(スウェーデン)
  • Country Name: SWEDEN
  • Counterpart Institution: Chalmers University of Technology
• [Journal Article] Metal and dust evolution in ALMA REBELS galaxies: insights for future JWST observations (2024)
  • Author(s): Palla, M., De Looze, I., Relano, M., van der Giessen, S., Dayal, P., Ferrara, A., Schneider, R., Graziani, L., Algera, H.S.B., Aravena, M., Bowler, R.A.A., Hygate, A.P.S., Inami, H., van Leeuwen, I., Bouwens, R., Hodge, J., Smit, R., Stefanon, M., and van der Werf, P.
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 528 Pages: 2407-2427
  • DOI: 10.1093/mnras/stae160
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The ALMA Reionization Era Bright Emission Line Survey: The molecular gas content of galaxies at z 7 (2024)
  • Author(s): Aravena, M., Heintz, K., Dessauges-Zavadsky, M., Oesch, P., Algera, H., Bouwens, R., da Cunha, E., Dayal, P., De Looze, I., Ferrara, A., Fudamoto, Y., Gonzalez, V., Graziani, L., Hygate, A.P.S., Inami, H., Pallottini, A., Schneider, R., Schouws, S., Sommovigo, L., Topping, M., van der Werf, P., and Palla, M.
  • Journal Title: Astronomy and Astrophysics Volume: 682 Pages: A24
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202347281
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cold dust and low [O III]/[C II] ratios: an evolved star-forming population at redshift 7 (2024)
  • Author(s): Algera, H.S.B., Inami, H., Sommovigo, L., Fudamoto, Y., Schneider, R., Graziani, L., Dayal, P., Bouwens, R., Aravena, M., da Cunha, E., Ferrara, A., Hygate, A.P.S., van Leeuwen, I., De Looze, I., Palla, M., Pallottini, A., Smit, R., Stefanon, M., Topping, M., and van der Werf, P.P.
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 527 Pages: 6867-6887
  • DOI: 10.1093/mnras/stad3111
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The ALMA REBELS survey: obscured star formation in massive Lyman-break galaxies at z= 4-8 revealed by the IRX-beta and Msun relations (2024)
  • Author(s): Bowler, R.A.A., Inami, H., Sommovigo, L., Smit, R., Algera, H.S.B., Aravena, M., Barrufet, L., Bouwens, R., da Cunha, E., Cullen, F., Dayal, P., De Looze, I., Dunlop, J.S., Fudamoto, Y., Mauerhofer, V., McLure, R.J., Stefanon, M., Schneider, R., Ferrara, A., Graziani, L., Hodge, J.A., Nanayakkara, T., Palla, M., et al.
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 527 Pages: 5808-5828
  • DOI: 10.1093/mnras/stad3578
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] GOALS-JWST: Small Neutral Grains and Enhanced 3.3 um PAH Emission in the Seyfert Galaxy NGC 7469 (2023)
  • Author(s): Lai, T.S.-Y., Armus, L., Bianchin, M., Diaz-Santos, T., Linden, S.T., Privon, G.C., Inami, H., U, V., Bohn, T., Evans, A.S., Larson, K.L., Hensley, B.S., Smith, J.-D.T., Malkan, M.A., Song, Y., Stierwalt, S., van der Werf, P.P., McKinney, J., Aalto, S., Buiten, V.A., Rich, J., Charmandaris, V., Appleton, P., et al.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 957 Pages: L26
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ad0387
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] JWST/NIRSpec Measurements of Extremely Low Metallicities in High Equivalent Width Ly-alpha Emitters (2023)
  • Author(s): Maseda, M.V., Lewis, Z., Matthee, J., Hennawi, J.F., Boogaard, L., Feltre, A., Nanayakkara, T., Bacon, R., Barger, A., Brinchmann, J., Franx, M., Hashimoto, T., Inami, H., Kusakabe, H., Leclercq, F., Rowland, L., Taylor, A.J., Tremonti, C., Urrutia, T., Schaye, J., Simmonds, C., and Vitte, E.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 956 Pages: 11
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acf12b
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The IR Compactness of Dusty Galaxies Sets Star Formation and Dust Properties at z ~ 0-2 (2023)
  • Author(s): McKinney, J., Pope, A., Kirkpatrick, A., Armus, L., Diaz-Santos, T., Gomez-Guijarro, C., Franco, M., Elbaz, D., Hayward, C.C., Inami, H., Popping, G., and Xiao, M.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 955 Pages: 136
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ace25c
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The ALMA REBELS Survey: discovery of a massive, highly star-forming, and morphologically complex ULIRG at z = 7.31 (2023)
  • Author(s): Hygate, A.P.S., Hodge, J.A., da Cunha, E., Rybak, M., Schouws, S., Inami, H., Stefanon, M., Graziani, L., Schneider, R., Dayal, P., Bouwens, R.J., Smit, R., Bowler, R.A.A., Endsley, R., Gonzalez, V., Oesch, P.A., Stark, D.P., Algera, H.S.B., Aravena, M., Barrufet, L., Ferrara, A., Fudamoto, Y., Hilhorst, J.H.A., et al.
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 524 Pages: 1775-1795
  • DOI: 10.1093/mnras/stad1212
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The ALMA REBELS Survey: the first infrared luminosity function measurement at z ~ 7 (2023)
  • Author(s): Barrufet, L., Oesch, P.A., Bouwens, R., Inami, H., Sommovigo, L., Algera, H., da Cunha, E., Aravena, M., Dayal, P., Ferrara, A., Fudamoto, Y., Gonzalez, V., Graziani, L., Hygate, A.P.S., de Looze, I., Nanayakkara, T., Pallottini, A., Schneider, R., Stefanon, M., Topping, M., and van der Werf, P.
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 522 Pages: 3926-3934
  • DOI: 10.1093/mnras/stad1259
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] GOODS-ALMA 2.0: Last gigayear star formation histories of the so-called starbursts within the main sequence (2023)
  • Author(s): Ciesla, L., Gomez-Guijarro, C., Buat, V., Elbaz, D., Jin, S., Bethermin, M., Daddi, E., Franco, M., Inami, H., Magdis, G., Magnelli, B., and Xiao, M.
  • Journal Title: Astronomy and Astrophysics Volume: 672 Pages: A191
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202245376
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The hidden side of cosmic star formation at z > 3. Bridging optically dark and Lyman-break galaxies with GOODS-ALMA (2023)
  • Author(s): Xiao, M.-Y., Elbaz, D., Gomez-Guijarro, C., Leroy, L., Bing, L.-J., Daddi, E., Magnelli, B., Franco, M., Zhou, L., Dickinson, M., Wang, T., Rujopakarn, W., Magdis, G.E., Treister, E., Inami, H., Demarco, R., Sargent, M.T., Shu, X., Kartaltepe, J.S., Alexander, D.M., Bethermin, M., Bournaud, F., Ciesla, L., et al.
  • Journal Title: Astronomy and Astrophysics Volume: 672 Pages: A18
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202245100
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Far-IR missions: panel discussion (2024)
  • Author(s): Hanae Inami
  • Organizer: Probing the Universe from far-infrared to millimeter wavelengths: future facilities and their synergies
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 赤外線観測を用いた銀河研究とTAOへの期待 (2024)
  • Author(s): 稲見華恵
  • Organizer: 日本天文学会 2024年春季学会
  • Invited
• [Presentation] Gas and Dust in Distant Galaxies Seen by ALMA (2023)
  • Author(s): Hanae Inami
  • Organizer: ALMA at 10 years: Past, Present, and Future
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] FIR-Probe/PRIMAで期待されるサイエンス: 日本からのインプット (2023)
  • Author(s): 稲見華恵, 長尾透, 尾中敬, 橋本拓也, 武内勇司
  • Organizer: 光学赤外線天文連絡会シンポジウム
• [Presentation] Deficit of Fine Structure Line Emission and the Gas Heating Efficiency (2023)
  • Author(s): Hanae Inami
  • Organizer: Fine Structure Line Workshop
• [Presentation] AGN and its impact in the ISM in a local LIRG, NGC7469 (2023)
  • Author(s): Hanae Inami, GOALS team
  • Organizer: AGN x ALMA Mini Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ISM conditions of (dusty) star-forming galaxies at high redshift (2023)
  • Author(s): Hanae Inami
  • Organizer: PRIMA 2023 Community Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The Warm Molecular Outflows in NGC 3256 (2023)
  • Author(s): Thomas Bohn, Hanae Inami, GOALS team
  • Organizer: AGN x ALMA Mini Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dual Outflows in NGC 3256: A JWST look at Feedback in a Late-stage Merger (2023)
  • Author(s): Thomas Bohn, Hanae Inami, GOALS team
  • Organizer: Galaxy Transformation Across Space and Time
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dual Outflows in NGC 3256: A JWST look at Feedback in a Late-stage Merger (2023)
  • Author(s): Thomas Bohn, Hanae Inami, GOALS team
  • Organizer: East-Asia AGN Workshop
  • Int'l Joint Research