对红移约6.4类星体宿主星系中星际介质的全面观测

表征星际介质的物理条件(密度、温度、电离态、金属丰度等)对于我们理解星系的形成与演化至关重要。在此,我们展示了对红移z~6.4处一个类星体宿主星系中星际介质的多谱线研究,即宇宙年龄为840 Myr时。该星系是从黑暗时代浮现出的最活跃且质量最大的天体之一,因此代表了早期大质量星系形成模型的基准。我们使用阿塔卡马大型毫米波阵列(Atacama Large Millimeter Array)来探测电离、中性和分子气体的示踪剂集合,即精细结构线:[OIII] 88$\mu$m、[NII] 122$\mu$m、[CII] 158$\mu$m和[CI] 370$\mu$m,以及CO(7-6)、CO(15-14)、CO(16-15)和CO(19-18)的转动跃迁;OH 163.1$\mu$m和163.4$\mu$m;以及H$_2$O 3(0,3)-2(1,2)、3(3,1)-4(0,4)、3(3,1)-3(2,2)、4(0,4)-3(1,3)、4(3,2)-4(2,3)。所有目标精细结构线均被探测到,一半的目标分子跃迁也被探测到。通过结合相关的线光度、底层连续辐射对尘埃温度的约束以及星际介质光致电离模型的预测,我们发现电离相约占总气体质量预算的三分之一,并贡献了一半的总[CII]发射。其特征是高密度(n~180 cm$^{-3}$),为HII区的典型值。光致电离辐射的谱能量分布与B型恒星发出的谱相似。恒星形成似乎也驱动了分子介质的激发。我们在致密分子相中发现与外流相关激波的边际证据,但在其他气相中没有。本研究展示了多谱线研究在揭示宇宙黎明时期星系中恒星形成介质性质方面的威力。