Massive galaxies in the early Universe have been shown to be forming stars at surprisingly high rates. Prominent examples are dust-obscured galaxies which are luminous when observed at sub-millimeter (sub-mm) wavelengths and which may be forming stars at rates upto 1,000Mo/yr. These intense bursts of star formation are believed to be driven by mergers between gas rich galaxies. However, probing the properties of individual star-forming regions within these galaxies is beyond the spatial resolution and sensitivity of even the largest telescopes at present. Here, we report observations of the sub-mm galaxy SMMJ2135-0102 at redshift z=2.3259 which has been gravitationally magnified by a factor of 32 by a massive foreground galaxy cluster lens. This cosmic magnification, when combined with high-resolution sub-mm imaging, resolves the star-forming regions at a linear scale of just ~100 parsecs. We find that the luminosity densities of these star-forming regions are comparable to the dense cores of giant molecular clouds in the local Universe, but they are ~100x larger and 10^7 times more luminous. Although vigorously star-forming, the underlying physics of the star formation processes at z~2 appears to be similar to that seen in local galaxies even though the energetics are unlike anything found in the present-day Universe.

We present an analysis of the molecular and atomic gas emission in the rest-frame far-infrared and sub-millimetre, from the lensed z=2.3 sub-millimetre galaxy SMM J2135-0102. We obtain very high signal-to-noise detections of 11 transitions from 3 species and limits on a further 20 transitions from 9 species. We use the 12CO, [CI] and HCN line strengths to investigate the gas mass, kinematic structure and interstellar medium (ISM) chemistry, and find strong evidence for a two-phase medium comprising a hot, dense, luminous component and an underlying extended cool, low-excitation massive component. Employing photo-dissociation region models we show that on average the molecular gas is exposed to a UV radiation field that is ~1000 x more intense than the Milky Way, with star-forming regions having a characteristic density of n~10^4 /cm^3. These conditions are similar to those found in local ULIRGs and in the central regions of typical starburst galaxies, even though the star formation rate is far higher in this system. The 12CO spectral line energy distribution and line profiles give strong evidence that the system comprises multiple kinematic components with different conditions, including temperature, and line ratios suggestive of high cosmic ray flux within clouds. We show that, when integrated over the galaxy, the gas and star-formation surface densities appear to follow the Kennicutt-Schmidt relation, although when compared to high-resolution sub-mm imaging, our data suggest that this relation breaks down on scales of <100pc. By virtue of the lens amplification, these observations uncover a wealth of information on the star formation and ISM at z~2.3 at a level of detail that has only recently become possible at z<0.1, and show the potential physical properties that will be studied in unlensed galaxies when ALMA is in full operation. (Abridged).

We present multiline CO observations of the complex submillimeter galaxy SMM J00266+1708. Using the Zpectrometer on the Green Bank Telescope, we provide the first precise spectroscopic measurement of its redshift (z=2.742). Based on followup CO(1-0), CO(3-2), and CO(5-4) mapping, SMM J00266+1708 appears to have two distinct components separated by ~500 km/s that are nearly coincident along our line of sight. The two components show hints of different kinematics, with the blue-shifted component dispersion-dominated and the red-shifted component showing a clear velocity gradient. CO line ratios differ slightly between the two components, indicating that the physical conditions in their molecular gas may not be alike. We tentatively infer that SMM J00266+1708 is an ongoing merger with a mass ratio of (7.8+/-4.0)/sin^2(i), with its overall size and surface brightness closely resembling that of other merging systems. We perform large velocity gradient modeling of the CO emission from both components and find that each component's properties are consistent with a single phase of molecular gas (i.e., a single temperatures and density); additional multi-phase modeling of the red-shifted component, although motivated by a CO(1-0) size larger than the CO(3-2) size, is inconclusive. SMM J00266+1708 provides evidence of early stage mergers within the submillimeter galaxy population. Continuum observations of J00266 at the ~1" resolution of our observations could not have distinguished between the two components due to their separation (0.73" +/- 0.06"), illustrating that the additional velocity information provided by spectral line studies is important for addressing the prevalence of unresolved galaxy pairs in low-resolution submillimeter surveys.