红外光谱探测高红移亚毫米星系中的星际介质

红移 $z\gtrsim1$ 的亚毫米星系 (SMGs) 在远红外波段非常明亮，其恒星形成率 (SFR) 高达每年数百至数千个太阳质量。然而，尚不清楚它们是否是本地超亮红外星系 (ULIRGs) 的真正类似物，或者其恒星形成模式是否更类似于本地盘星系。我们利用 Herschel-PACS 观测 $z\sim1-4$ 的远红外明亮 SMGs 中的星际介质 (ISM) 条件来探讨这些问题。我们展示了 13 个由早期 Herschel 数据亮度识别出的透镜化 SMGs 的 70-160 微米测光数据，以及 [OIV]26 微米、[FeII]26 微米、[SIII]33 微米、[SiII]34 微米、[OIII]52 微米、[NIII]57 微米和 [OI]63 微米精细结构谱线以及 S(0) 和 S(1) 氢转动谱线的光谱数据。这 13 个目标中的大多数未单独被光谱探测到，因此我们转而将这些光谱与来自 \herschel\ 档案的额外 32 个 SMGs 的观测进行叠加——代表了 SMGs 的 PACS 光谱完整汇编。我们在叠加光谱中以 $>3\sigma$ 探测到了 [OI]63 微米、[SiII]34 微米和 [NIII]57 微米谱线，确定这些谱线相对于远红外连续谱的平均强度分别为 $(0.36\pm0.12)\times10^{-3}$、$(0.84\pm0.17)\times10^{-3}$ 和 $(0.27\pm0.10)\times10^{-3}$。利用 [OIII]52/[NIII]57 发射线比率，我们表明 SMGs 的平均气相金属丰度 $\gtrsim Z_{\rm sun}$。通过使用光致离解区 (PDR) 建模，并结合新的光谱测量值、积分远红外通量以及现有的 [CII]158 微米数据，我们表明 SMGs 的平均气体密度 $n$ 约为 $\sim10^{1-3}{\rm cm^{-3}}$，FUV 场强 $G_0\sim10^{2.2-4.5}$（以 Habing 单位表示：$1.6\times10^{-3}{\rm erg~cm^{-2}~s^{-1}}$），这与本地 ULIRGs 和较低光度的恒星形成星系均一致。