Gravitational lensing is a powerful astrophysical and cosmological probe and is particularly valuable at submillimeter wavelengths for the study of the statistical and individual properties of dusty starforming galaxies. However the identification of gravitational lenses is often time-intensive, involving the sifting of large volumes of imaging or spectroscopic data to find few candidates. We used early data from the Herschel Astrophysical Terahertz Large Area Survey to demonstrate that wide-area submillimeter surveys can simply and easily detect strong gravitational lensing events, with close to 100% efficiency.

Aims. We investigate the fueling and the feedback of star formation and nuclear activity in NGC 1068, a nearby (D = 14 Mpc) Seyfert 2 barred galaxy, by analyzing the distribution and kinematics of the molecular gas in the disk. We aim to understand if and how gas accretion can self-regulate.

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.

This is the second paper studying the QSOs in the Spitzer QUEST sample. Previously we presented new PAH measurements and argued that most of the observed far-infrared (FIR) radiation is due to star-forming activity. Here we present spectral energy distributions (SEDs) by supplementing our data with optical, NIR, and FIR observations. We define two subgroups, of "weak FIR" and "strong FIR" QSOs, and a third group of FIR nondetections. Assuming a starburst origin for the FIR, we obtain "intrinsic" active galactic nucleus (AGN) SEDs by subtracting a starburst template from the mean SEDs. The resulting SEDs are remarkably similar for all groups. They show three distinct peaks corresponding to two silicate emission features and a 3 μm bump, which we interpret as the signature of the hottest AGN dust. They also display drops beyond ~20 μm that we interpret as the signature of the minimum temperature (~200 K) dust. This component must be optically thin to explain the silicate emission and the slope of the long-wavelength continuum. We discuss the merits of an alternative model in which most of the FIR emission is due to AGN heating. Such models are unlikely to explain the properties of our QSOs, but they cannot be ruled out for more luminous objects. We also find correlations between the luminosity at 5100 Å and two infrared starburst indicators: L(60 μm) and L(PAH 7.7 μm). The correlation of L(5100 Å) with L(60 μm) can be used to measure the relative growth rates and lifetimes of the black hole and the new stars.

We combine IRAM Plateau de Bure Interferometer and Herschel PACS and SPIRE measurements to study the dust and gas contents of high-redshift star-forming galaxies. We present new observations for a sample of 17 lensed galaxies at z = 1.4–3.1, which allow us to directly probe the cold interstellar medium of normal star-forming galaxies with stellar masses of ∼1010 M☉, a regime otherwise not (yet) accessible by individual detections in Herschel and molecular gas studies. The lensed galaxies are combined with reference samples of submillimeter and normal z ∼ 1–2 star-forming galaxies with similar far-infrared photometry to study the gas and dust properties of galaxies in the SFR–M*–redshift parameter space. The mean gas depletion timescale of main-sequence (MS) galaxies at z > 2 is measured to be only ∼450 Myr, a factor of ∼1.5 (∼5) shorter than at z = 1 (z = 0), in agreement with a (1 + z)−1 scaling. The mean gas mass fraction at z = 2.8 is 40% ± 15% (44% after incompleteness correction), suggesting a flattening or even a reversal of the trend of increasing gas fractions with redshift recently observed up to z ∼ 2. The depletion timescale and gas fractions of the z > 2 normal star-forming galaxies can be explained under the "equilibrium model" for galaxy evolution, in which the gas reservoir of galaxies is the primary driver of the redshift evolution of specific star formation rates. Due to their high star formation efficiencies and low metallicities, the z > 2 lensed galaxies have warm dust despite being located on the star formation MS. At fixed metallicity, they also have a gas-to-dust ratio 1.7 times larger than observed locally when using the same standard techniques, suggesting that applying the local calibration of the δGDR–metallicity relation to infer the molecular gas mass of high-redshift galaxies may lead to systematic differences with CO-based estimates.

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.