ALMA	  fellow	  program	  report:	  Far-­‐infrared	  nebular	  emission	  lines	  and	  physics	  of	  interstellar	  medium	  of	  star-­‐forming	  galaxies	  in	  the	  reionizaLon	  epoch	
Takuya	  Hashimoto	  (OSU,	  NAOJ)	  on	  behalf	  of	  A.	  K.	  Inoue	  Achievement	  in	  Cy	  5	  proposals	  	  	11	  PI	  +	  CoI	  proposals	  submiSed	  (7	  proposals	  accepted)	  	  	  Aims:	  invesLgaLng	  ISM	  properLes	  at	  z	  >	  6	  with	  FIR	  lines	  	  	  (1)	  2017.1.00190.S	  	  	  PI:	  Akio	  K.	  Inoue	  	  	  Grade	  B	  Physics	  of	  the	  interstellar	  medium	  of	  galaxies	  in	  the	  reionizaFon	  era:	  the	  [OIII]-­‐to-­‐[CII]	  line	  raFo	  II	  	  (2)	  2017.1.00268.S	  	  	  PI:	  Akio	  K.	  Inoue	  	  	  Grade	  C	  Nitrogen	  abundance	  in	  a	  z=7.2	  Lyalpha	  emiSer	  	  (3)	  2017.1.01305.S	  	  	  	  PI:	  Akio	  K.	  Inoue	  	  	  Grade	  C	  [OIII]88,	  [CII]158	  and	  dust	  conFnuum	  survey	  in	  a	  z=8.4	  hyper	  overdensity	  of	  galaxies	  	  (4)	  2017.1.01195.S	  	  	  	  PI:	  Takuya	  Hashimoto	  	  	  Grade	  B	  The	  ﬁrst	  detecFon	  of	  the	  [OIII]88um	  from	  Two	  QSO	  host	  galaxies	  in	  the	  reionizaFon	  epoch	  	  (5)	  2017.1.00225.S	  	  	  	  PI:	  Yoichi	  Tamura	  	  	  	  Grade	  A	  FIR	  [O	  III]	  and	  [C	  II]	  emission	  from	  a	  z	  ~	  8	  candidate	  galaxy:	  A	  glimpse	  into	  early	  producFon	  of	  heavy	  elements	  	  (6)	  2017.1.00508.S	  	  	  	  PI:	  Yuichi	  Harikane	  	  	  	  Grade	  A	  InvesFgaFng	  ISM	  Physics	  at	  z~6	  with	  MulFple	  FIR	  Lines	  of	  Newly-­‐Discovered	  Luminous	  Galaxies	  	  (7)	  2017.1.00775.S	  	  	  	  PI:	  Darach	  Watson	  	  	  	  Grade	  B	  Mapping	  all	  phases	  of	  the	  ISM	  in	  a	  normal	  reionisaFon-­‐epoch	  galaxy	Achievement	  in	  journal	  papers	  	  		  1	  paper	  already	  submiSed	  and	  2	  papers	  in	  preparaLon	  	  (1)	  T.	  Hashimoto	  et	  al.	  (2018	  a)	  submiSed	  	  (2)	  T.	  Hashimoto	  et	  al.	  (2018	  b)	  in	  preparaFon	  	  (3)	  Y.	  Tamura	  incl.	  AKI,	  TH	  et	  al.	  in	  preparaFon	  	Achievement	  in	  journal	  papers	  	  		  1	  paper	  already	  submiSed	  and	  2	  papers	  in	  preparaLon	  	  (1)	  T.	  Hashimoto	  et	  al.	  (2018	  a)	  submiSed	  	  (2)	  T.	  Hashimoto	  et	  al.	  (2018	  b)	  in	  preparaFon	  	  (3)	  Y.	  Tamura	  incl.	  AKI,	  TH	  et	  al.	  in	  preparaFon	  	Achievement	  in	  journal	  papers	  	  		  1	  paper	  already	  submiSed	  and	  2	  papers	  in	  preparaLon	  	  (1)	  T.	  Hashimoto	  et	  al.	  (2018	  a)	  submiSed	  	  (2)	  T.	  Hashimoto	  et	  al.	  (2018	  b)	  in	  preparaLon	  	  (3)	  Y.	  Tamura	  incl.	  AKI,	  TH	  et	  al.	  in	  preparaFon	  	Simultaneous	  detecLons	  of	  Lyα,	  [OIII]	  88,	  [CII]	  158,	  and	  dust	  in	  a	  galaxy	  at	  	  z	  ~	  7.15	  (Universe	  age	  ~	  750	  Myr)	  	  	  	  	Takuya	  Hashimoto	  (OSU,	  NAOJ)	  ALMA	  and	  reionizaFon	  studies	How	  reionizaLon	  has	  completed	  ?	  	  ALMA	  and	  reionizaFon	  studies	How	  reionizaLon	  has	  completed	  ?	  	  -­‐ Rest-­‐frame	  far-­‐Infrared	  (FIR)	  emission	  lines	  (e.g.,	  [CII]	  158,	  [OIII]	  88)	  	  	  	  -­‐	  Spec-­‐idenify	  galaxies	  in	  the	  EoR	  (z	  >	  6	  –	  7)	  MaShee+17	  z	  ~	  6.6	  	  	  [CII]	

Smit+17	  z	  ~	  6.8	  	  	  [CII]	

[CII]	  in	  21	  galaxies	  at	  z	  >	  5	  (Carniani+17b)	  	ALMA	  and	  reionizaFon	  studies	How	  reionizaLon	  has	  completed	  ?	  	  

-­‐ Rest-­‐frame	  far-­‐Infrared	  (FIR)	  emission	  lines	  (e.g.,	  [CII]	  158,	  [OIII]	  88)	  	  	  	  -­‐	  Spec-­‐idenFfy	  galaxies	  in	  the	  EoR	  (z	  >	  6	  –	  7)	  Inoue+16	  Science	  z	  ~	  7.2	  	  	  	  [OIII]	

Carniani+17	  z	  ~	  7.1	  	  	  	  [OIII]	

Laporte+17	  z	  ~	  8.4	  	  	  	  [OIII]	

ALMA	  and	  reionizaFon	  studies	-­‐	  [OIII]/[CII]	  as	  a	  diagnosFc	  tool	  of	  ISM	  	  (Inoue+16)	  	  	  SXDF-­‐NB1006-­‐2	Inoue+16,	  Science	  z	  =	  7.2	PDR	  	[CII]	  	  11	  eV	HII	  	[OIII]	  	  35	  eV	  	Very	  high	  [OIII]/[CII]	  raFos	  >	  12	  (3σ);	  the	  highest	  in	  external	  galaxiex	  Unusually	  low	  neutral	  gas	  in	  the	  ISM	  	  à	  High	  LyC	  escape	  ?	  ALMA	  and	  reionizaFon	  studies	-­‐	  [OIII]/[CII]	  as	  a	  diagnosFc	  tool	  of	  ISM	  	  (Inoue+16)	  	  	  SXDF-­‐NB1006-­‐2	Inoue+16,	  Science	  z	  =	  7.2	HII	  	[OIII]	  	  35	  eV	  	ionizing	  photons	  	Very	  high	  [OIII]/[CII]	  raFos	  >	  12	  (3σ);	  the	  highest	  in	  external	  galaxies	  Unusually	  low	  neutral	  gas	  in	  the	  ISM	  	  à	  High	  LyC	  escape	  ?	  	   A	  larger	  sample	  is	  needed	  for	  a	  deﬁniLve	  conclusion	  è	  This	  study	  (and	  Cy	  5	  proposals)	  B14-­‐65666:	  a	  very	  UV	  bright	  dropout	  galaxy	Lyα	  	  idenFﬁed	  in	  Furusawa+16	
1e-­‐18	  erg/s/cm2/A		  UV	  luminosity	  funcFon	  “bump”	  	  Bowler+14	

-­‐24	  	  	  	  	  	  	  	  	  -­‐22	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  -­‐20	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  -­‐18	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  Muv		  Bowler+17	

S/N	  =	  5.5	  	Obs	  wavelength	  (Ang)	

F140W	  (rest-­‐frame	  UV)	  two-­‐components	

Cy	  4	  ALMA	  Band	  6	  &	  8	  ObservaFons	  (PI:	  A.	  K.	  Inoue)	

Band	#	  of	  anntena	

Ton	  [min]	

beam	  size	  [FWHM]	

1σ	  	  conLnuum	Band	  6	  	  [CII]	  158	  	  40	~120	0”.27	  x	  0”.19	

10	  μJy/B	  	Band	  8	  	  [OIII]	  88	

40	~50	0”.31	  x	  0”.27	

62	  μJy/B		

-­‐ CASA	  4.7.0	  	  -­‐ natural	  weighFng	  	  Band6:	  	  [CII]	  158	  μm	  	  and	  dust	  emission	  	[OIII]	  S/N	  ~	  	  6	[OIII]	  S/N	  ~	  	  6	10.6σ	  -­‐	  integrated	  [CII]	  ﬂux	  =	  	  1.0	  ±	  0.1	  Jy	  km/s	  	  	  9	  Lsun	  [CII]	  =S/N	  ~	  	  10	±	  0.13)	  x	  10dust	  S/N	  ~	  	  	  5	-­‐	  L([CII])	  	  	  (1.3	  -­‐	  S160μm	  =	  	  130	  ±	  25	  μJy	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  5.3σ	Band8:	  	  [OIII]	  88	  μm	  	  	[OIII]	  S/N	  ~	  	  6	[OIII]	  S/N	  ~	  	  6	5.8σ	<	  	  3σ	-­‐	  integrated	  [OIII]	  ﬂux	  =	  	  1.3	  ±	  0.2	  Jy	  km/s	  	  	  -­‐	  L([OIII])	  =	  	  (2.9	  ±	  0.5)	  xdust	  	  10S9/N	  	  L~sun	  	  	  5	 	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  -­‐[OIII]/[CII]	  ~	  2	  	  	  cf.,	  [OIII]/[CII]	  >	  12	  	  (3σ)；Inoue+16	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  A	  very	  large	  Lyα	  velocity	  oﬀset	  	z〜２−３	  galaxies	  (Hashimoto+13)	

strong	  LyA	  EW	  >	  30	  A	weak	  LyA	  EW	  <	  30	  A	*very	  roughly	  	  Δv	  express	  NHI	  (Verhamme+06,	  Dijkstra+06)	

Δv	  =	  770	  ±	  50	  km/s,	  EW=4	  Å	  cf.,	  Δv	  =	  	  110	  ±	  30	  km/s,	  EW=33	  Å	  (SXDF-­‐NB1006-­‐2;	  Inoue+16)	

Large	  Δv(Lyα)	  +	  low	  [OIII]/[CII]	  è	  low	  fesc	  	  	PDR	  	[CII]	  	  11	  eV	HII	  	[OIII]	  	  35	  eV	  	B14-­‐65666	  (This	  study)	

HII	  	SXDF-­‐NB1006-­‐2	  	  (Inoue+16)	

Both	  the	  large	  Δv(Lyα)	  and	  low	  [OIII]/[CII]	  raFo	  	  suggest	  that	  B14-­‐65666	  has	  a	  large	  amount	  of	  neutral	  gas	  	  (unlike	  	  SXDF-­‐NB1006-­‐2)	  	  -­‐-­‐	  log	  NHI	  ~	  21-­‐22	  	  (e.g.,	  Verhamme+06,	  08)	  à	  fesc	  ~	  0	  %	  	  	  but	  the	  picket-­‐fence	  scenario	  possible	  The	  most	  distant	  velocity	  gradient:	  merger	  ?	  	  	~	  200	  km/s	  gradient	  	  	Data	  points	  >	  3σ	  pixels	  Re-­‐analyzed	  [CII]	  mom0	  	  with	  Briggs	  weighFng	  	  robust	  =	  0.3	

Dust	  in	  the	  EoR	Watson+15	  z	  ~	  7.5	  Laporte+17	  	  z	  =	  8.38	  	  Hashimoto+18b	  	  zsp	  =	  7.15	3,	  5,	  7σ	-­‐ The	  fourth	  galaxy	  with	  dust	  conFnuum	  at	  z	  >	  7	  (Tamura-­‐san’s	  poster)	  	  	  -­‐ LTIR	  =	  [1.6	  –	  5.7]	  x	  1011	  Lsun	  	  	  	  	  (modiﬁed	  black-­‐body;	  Td	  =	  30	  –	  50	  K,	  βd	  =	  1.5;	  Ouchi+13,	  Knudsen+17)	  	  -­‐ Md	  =	  [1.1	  –	  5.2]	  x	  107	  Msun,	  Md/M*	  	  ~	  0.01	  	  	  	  	  à	  implicaFons	  on	  dust	  formaFon	  and	  growth	  mechanisms	  (future)	  Summary	  	  • 7/11	  PI	  and	  CoI	  proposals	  accepted	  	 for	  Cy	  5	  	  • 1	  paper	  submiSed	  and	  2	  papers	  in	  prep.	  	  -­‐Hashimoto+18a,	  b	  in	  prep.	  ,	  	  Y.	  Tamura+18	  in	  prep.	  

• The	  ﬁrst	  complete	  set	  of	  	  Lyα,	  [OIII]	  88,	  [CII]	  158,	  and	  dust	  	  	  • [OIII]/[CII]	  ~	  2	  	  • Δv(Lyα)	  ~	  770	  km/s	  	  • Velocity	  gradient	  in	  [OIII]	  and	  [CII]	  	  +	  HST	  image	  (merger/rotaFon)	  • LTIR	  	  =	  [1.6	  –	  5.7]	  x	  1011	  Lo	  	  	  and	  a	  	  dust	  mass	  fracFon	  ~	  0.01	  	  	  • future	  constraints	  on	  the	  dust	  garin	  growth	  mechanisms	  	  • [OIII]/[CII]	  raFo	  in	  other	  high-­‐z	  populaFons	  	  • SMGs:	  	  Marrone+17	  	  at	  z	  =	  7.0	  (0.5	  –	  2.0)	  • QSOs:	  	  	  T.	  Hashimoto+	  (Cy	  5)	  	  z	  =	  6	  (	  ?	  ?	  ?	  )