The final product of galaxy evolution through cosmic time is the population of galaxies in the local universe. These galaxies are also those that can be studied in most detail, thus providing a stringent benchmark for our understanding of galaxy evolution. Through the huge success of spectroscopic single-fiber, statistical surveys of the Local Universe in the last decade, it has become clear, however, that an authoritative observational description of galaxies will involve measuring their spatially resolved properties over their full optical extent for a statistically significant sample. We present here the Calar Alto Legacy Integral Field Area (CALIFA) survey, which has been designed to provide a first step in this direction. We summarize the survey goals and design, including sample selection and observational strategy. We also showcase the data taken during the first observing runs (June/July 2010) and outline the reduction pipeline, quality control schemes and general characteristics of the reduced data.

We present ∼kiloparsec spatial resolution maps of the CO-to-H2 conversion factor (αCO) and dust-to-gas ratio (DGR) in 26 nearby, star-forming galaxies. We have simultaneously solved for αCO and the DGR by assuming that the DGR is approximately constant on kiloparsec scales. With this assumption, we can combine maps of dust mass surface density, CO-integrated intensity, and H i column density to solve for both αCO and the DGR with no assumptions about their value or dependence on metallicity or other parameters. Such a study has just become possible with the availability of high-resolution far-IR maps from the Herschel key program KINGFISH, 12CO J = (2–1) maps from the IRAM 30 m large program HERACLES, and H i 21 cm line maps from THINGS. We use a fixed ratio between the (2–1) and (1–0) lines to present our αCO results on the more typically used 12CO J = (1–0) scale and show using literature measurements that variations in the line ratio do not affect our results. In total, we derive 782 individual solutions for αCO and the DGR. On average, αCO = 3.1 M☉ pc−2 (K km s−1)−1 for our sample with a standard deviation of 0.3 dex. Within galaxies, we observe a generally flat profile of αCO as a function of galactocentric radius. However, most galaxies exhibit a lower αCO value in the central kiloparsec—a factor of ∼2 below the galaxy mean, on average. In some cases, the central αCO value can be factors of 5–10 below the standard Milky Way (MW) value of αCO, MW = 4.4 M☉ pc−2 (K km s−1)−1. While for αCO we find only weak correlations with metallicity, the DGR is well-correlated with metallicity, with an approximately linear slope. Finally, we present several recommendations for choosing an appropriate αCO for studies of nearby galaxies.

The Spitzer Survey of Stellar Structure in Galaxies S^4G is an Exploration Science Legacy Program approved for the Spitzer post-cryogenic mission. It is a volume-, magnitude-, and size-limited (d < 40 Mpc, |b| > 30 degrees, m_(Bcorr) < 15.5, D25>1') survey of 2,331 galaxies using IRAC at 3.6 and 4.5 microns. Each galaxy is observed for 240 s and mapped to > 1.5 x D25. The final mosaicked images have a typical 1 sigma rms noise level of 0.0072 and 0.0093 MJy / sr at 3.6 and 4.5 microns, respectively. Our azimuthally-averaged surface brightness profile typically traces isophotes at mu_3.6 (AB) (1 sigma) ~ 27 mag arcsec^-2, equivalent to a stellar mass surface density of ~ 1 Msun pc^-2. S^4G thus provides an unprecedented data set for the study of the distribution of mass and stellar structures in the local Universe. This paper introduces the survey, the data analysis pipeline and measurements for a first set of galaxies, observed in both the cryogenic and warm mission phase of Spitzer. For every galaxy we tabulate the galaxy diameter, position angle, axial ratio, inclination at mu_3.6 (AB) = 25.5 and 26.5 mag arcsec^-2 (equivalent to ~ mu_B (AB) =27.2 and 28.2 mag arcsec^-2, respectively). These measurements will form the initial S^4G catalog of galaxy properties. We also measure the total magnitude and the azimuthally-averaged radial profiles of ellipticity, position angle, surface brightness and color. Finally, we deconstruct each galaxy using GALFIT into its main constituent stellar components: the bulge/spheroid, disk, bar, and nuclear point source, where necessary. Together these data products will provide a comprehensive and definitive catalog of stellar structures, mass and properties of galaxies in the nearby Universe.

We measure the velocity dispersion, $\sigma$, and surface density, $\Sigma$, of the molecular gas in nearby galaxies from CO spectral line cubes with spatial resolution $45$-$120$ pc, matched to the size of individual giant molecular clouds. Combining $11$ galaxies from the PHANGS-ALMA survey with $4$ targets from the literature, we characterize ${\sim}30,000$ independent sightlines where CO is detected at good significance. $\Sigma$ and $\sigma$ show a strong positive correlation, with the best-fit power law slope close to the expected value for resolved, self-gravitating clouds. This indicates only weak variation in the virial parameter $\alpha_\mathrm{vir}\propto\sigma^2/\Sigma$, which is ${\sim}1.5$-$3.0$ for most galaxies. We do, however, observe enormous variation in the internal turbulent pressure $P_\mathrm{turb}\propto\Sigma\,\sigma^2$, which spans ${\sim}5\rm\;dex$ across our sample. We find $\Sigma$, $\sigma$, and $P_\mathrm{turb}$ to be systematically larger in more massive galaxies. The same quantities appear enhanced in the central kpc of strongly barred galaxies relative to their disks. Based on sensitive maps of M31 and M33, the slope of the $\sigma$-$\Sigma$ relation flattens at $\Sigma\lesssim10\rm\;M_\odot\,pc^{-2}$, leading to high $\sigma$ for a given $\Sigma$ and high apparent $\alpha_\mathrm{vir}$. This echoes results found in the Milky Way, and likely originates from a combination of lower beam filling factors and a stronger influence of local environment on the dynamical state of molecular gas in the low density regime.

It remains a major challenge to derive a theory of cloud-scale ($\lesssim100$ pc) star formation and feedback, describing how galaxies convert gas into stars as a function of the galactic environment. Progress has been hampered by a lack of robust empirical constraints on the giant molecular cloud (GMC) lifecycle. We address this problem by systematically applying a new statistical method for measuring the evolutionary timeline of the GMC lifecycle, star formation, and feedback to a sample of nine nearby disc galaxies, observed as part of the PHANGS-ALMA survey. We measure the spatially-resolved ($\sim100$ pc) CO-to-H$\alpha$ flux ratio and find a universal de-correlation between molecular gas and young stars on GMC scales, allowing us to quantify the underlying evolutionary timeline. GMC lifetimes are short, typically 10-30 Myr, and exhibit environmental variation, between and within galaxies. At kpc-scale molecular gas surface densities $\Sigma_{\rm H_2}\geqslant8$M$_{\odot}$pc$^{-2}$, the GMC lifetime correlates with time-scales for galactic dynamical processes, whereas at $\Sigma_{\rm H_2}\leqslant8$M$_{\odot}$pc$^{-2}$ GMCs decouple from galactic dynamics and live for an internal dynamical time-scale. After a long inert phase without massive star formation traced by H$\alpha$ (75-90% of the cloud lifetime), GMCs disperse within just 1-5 Myr once massive stars emerge. The dispersal is most likely due to early stellar feedback, causing GMCs to achieve integrated star formation efficiencies of 4-10% These results show that galactic star formation is governed by cloud-scale, environmentally-dependent, dynamical processes driving rapid evolutionary cycling. GMCs and HII regions are the fundamental units undergoing these lifecycles, with mean separations of 100-300 pc in star-forming discs. Future work should characterise the multi-scale physics and mass flows driving these lifecycles.

Abstract We present PHANGS–ALMA, the first survey to map CO J = 2 → 1 line emission at ∼1″ ∼100 pc spatial resolution from a representative sample of 90 nearby ( d ≲ 20 Mpc) galaxies that lie on or near the z = 0 “main sequence” of star-forming galaxies. CO line emission traces the bulk distribution of molecular gas, which is the cold, star-forming phase of the interstellar medium. At the resolution achieved by PHANGS–ALMA, each beam reaches the size of a typical individual giant molecular cloud, so that these data can be used to measure the demographics, life cycle, and physical state of molecular clouds across the population of galaxies where the majority of stars form at z = 0. This paper describes the scientific motivation and background for the survey, sample selection, global properties of the targets, Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) observations, and characteristics of the delivered data and derived data products. As the ALMA sample serves as the parent sample for parallel surveys with MUSE on the Very Large Telescope, the Hubble Space Telescope, AstroSat, the Very Large Array, and other facilities, we include a detailed discussion of the sample selection. We detail the estimation of galaxy mass, size, star formation rate, CO luminosity, and other properties, compare estimates using different systems and provide best-estimate integrated measurements for each target. We also report the design and execution of the ALMA observations, which combine a Cycle 5 Large Program, a series of smaller programs, and archival observations. Finally, we present the first 1″ resolution atlas of CO emission from nearby galaxies and describe the properties and contents of the first PHANGS–ALMA public data release.

Abstract We compare the structure of molecular gas at 40 pc resolution to the ability of gas to form stars across the disk of the spiral galaxy M51. We break the PAWS survey into 370 pc and 1.1 kpc resolution elements, and within each we estimate the molecular gas depletion time (  ), the star-formation efficiency per free-fall time (  ), and the mass-weighted cloud-scale (40 pc) properties of the molecular gas: surface density, Σ, line width, σ , and  , a parameter that traces the boundedness of the gas. We show that the cloud-scale surface density appears to be a reasonable proxy for mean volume density. Applying this, we find a typical star-formation efficiency per free-fall time,  , lower than adopted in many models and found for local clouds. Furthermore, the efficiency per free-fall time anti-correlates with both Σ and σ , in some tension with turbulent star-formation models. The best predictor of the rate of star formation per unit gas mass in our analysis is  , tracing the strength of self-gravity, with  . The sense of the correlation is that gas with stronger self-gravity (higher b ) forms stars at a higher rate (low  ). The different regions of the galaxy mostly overlap in  as a function of b , so that low b explains the surprisingly high  found toward the inner spiral arms found by Meidt et al. (2013).

We present the PHANGS-MUSE survey, a programme that uses the MUSE integral field spectrograph at the ESO VLT to map 19 massive (9.4 < log( M ⋆ / M ⊙ )< 11.0) nearby ( D ≲ 20 Mpc) star-forming disc galaxies. The survey consists of 168 MUSE pointings (1′ by 1′ each) and a total of nearly 15 × 10 6 spectra, covering ∼1.5 × 10 6 independent spectra. PHANGS-MUSE provides the first integral field spectrograph view of star formation across different local environments (including galaxy centres, bars, and spiral arms) in external galaxies at a median resolution of 50 pc, better than the mean inter-cloud distance in the ionised interstellar medium. This ‘cloud-scale’ resolution allows detailed demographics and characterisations of H II regions and other ionised nebulae. PHANGS-MUSE further delivers a unique view on the associated gas and stellar kinematics and provides constraints on the star-formation history. The PHANGS-MUSE survey is complemented by dedicated ALMA CO(2–1) and multi-band HST observations, therefore allowing us to probe the key stages of the star-formation process from molecular clouds to H II regions and star clusters. This paper describes the scientific motivation, sample selection, observational strategy, data reduction, and analysis process of the PHANGS-MUSE survey. We present our bespoke automated data-reduction framework, which is built on the reduction recipes provided by ESO but additionally allows for mosaicking and homogenisation of the point spread function. We further present a detailed quality assessment and a brief illustration of the potential scientific applications of the large set of PHANGS-MUSE data products generated by our data analysis framework. The data cubes and analysis data products described in this paper represent the basis for the first PHANGS-MUSE public data release and are available in the ESO archive and via the Canadian Astronomy Data Centre.

Abstract The distribution of metals within a galaxy traces the baryon cycle and the buildup of galactic disks, but the detailed gas phase metallicity distribution remains poorly sampled. We have determined the gas phase oxygen abundances for 7138 H ii regions across the disks of eight nearby galaxies using Very Large Telescope/Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) optical integral field spectroscopy as part of the PHANGS–MUSE survey. After removing the first-order radial gradients present in each galaxy, we look at the statistics of the metallicity offset (ΔO/H) and explore azimuthal variations. Across each galaxy, we find low ( σ = 0.03–0.05 dex) scatter at any given radius, indicative of efficient mixing. We compare physical parameters for those H ii regions that are 1 σ outliers toward both enhanced and reduced abundances. Regions with enhanced abundances have high ionization parameter, higher H α luminosity, lower H α velocity dispersion, younger star clusters, and associated molecular gas clouds showing higher molecular gas densities. This indicates recent star formation has locally enriched the material. Regions with reduced abundances show increased H α velocity dispersions, suggestive of mixing introducing more pristine material. We observe subtle azimuthal variations in half of the sample, but cannot always cleanly associate this with the spiral pattern. Regions with enhanced and reduced abundances are found distributed throughout the disk, and in half of our galaxies we can identify subsections of spiral arms with clearly associated metallicity gradients. This suggests spiral arms play a role in organizing and mixing the interstellar medium.

The cloud-scale density, velocity dispersion, and gravitational boundedness of the interstellar medium (ISM) vary within and among galaxies. In turbulent models, these properties play key roles in the ability of gas to form stars. New high fidelity, high resolution surveys offer the prospect to measure these quantities across galaxies. We present a simple approach to make such measurements and to test hypotheses that link small-scale gas structure to star formation and galactic environment. Our calculations capture the key physics of the Larson scaling relations, and we show good correspondence between our approach and a traditional "cloud properties" treatment. However, we argue that our method is preferable in many cases because of its simple, reproducible characterization of all emission. Using, low-J 12CO data from recent surveys, we characterize the molecular ISM at 60pc resolution in the Antennae, the Large Magellanic Cloud, M31, M33, M51, and M74. We report the distributions of surface density, velocity dispersion, and gravitational boundedness at 60pc scales and show galaxy-to-galaxy and intra-galaxy variations in each. The distribution of flux as a function of surface density appears roughly lognormal with a 1sigma width of ~0.3 dex, though the center of this distribution varies from galaxy to galaxy. The 60pc resolution line width and molecular gas surface density correlate well, which is a fundamental behavior expected for virialized or free-falling gas. Varying the measurement scale for the LMC and M31, we show that the molecular ISM has higher surface densities, lower line widths, and more self-gravity at smaller scales.