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.

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.

The physics of star formation and the deposition of mass, momentum and energy into the interstellar medium by massive stars ('feedback') are the main uncertainties in modern cosmological simulations of galaxy formation and evolution1,2. These processes determine the properties of galaxies3,4 but are poorly understood on the scale of individual giant molecular clouds (less than 100 parsecs)5,6, which are resolved in modern galaxy formation simulations7,8. The key question is why the timescale for depleting molecular gas through star formation in galaxies (about 2 billion years)9,10 exceeds the cloud dynamical timescale by two orders of magnitude11. Either most of a cloud's mass is converted into stars over many dynamical times12 or only a small fraction turns into stars before the cloud is dispersed on a dynamical timescale13,14. Here we report high-angular-resolution observations of the nearby flocculent spiral galaxy NGC 300. We find that the molecular gas and high-mass star formation on the scale of giant molecular clouds are spatially decorrelated, in contrast to their tight correlation on galactic scales5. We demonstrate that this decorrelation implies rapid evolutionary cycling between clouds, star formation and feedback. We apply a statistical method15,16 to quantify the evolutionary timeline and find that star formation is regulated by efficient stellar feedback, which drives cloud dispersal on short timescales (around 1.5 million years). The rapid feedback arises from radiation and stellar winds, before supernova explosions can occur. This feedback limits cloud lifetimes to about one dynamical timescale (about 10 million years), with integrated star formation efficiencies of only 2 to 3 per cent. Our findings reveal that galaxies consist of building blocks undergoing vigorous, feedback-driven life cycles that vary with the galactic environment and collectively define how galaxies form stars.

ABSTRACT PHANGS-HST is an ultraviolet-optical imaging survey of 38 spiral galaxies within ∼20 Mpc. Combined with the PHANGS-ALMA, PHANGS-MUSE surveys and other multiwavelength data, the data set will provide an unprecedented look into the connections between young stars, H ii regions, and cold molecular gas in these nearby star-forming galaxies. Accurate distances are needed to transform measured observables into physical parameters (e.g. brightness to luminosity, angular to physical sizes of molecular clouds, star clusters and associations). PHANGS-HST has obtained parallel ACS imaging of the galaxy haloes in the F606W and F814W bands. Where possible, we use these parallel fields to derive tip of the red giant branch (TRGB) distances to these galaxies. In this paper, we present TRGB distances for 10 PHANGS galaxies from ∼4 to ∼15 Mpc, based on the first year of PHANGS-HST observations. Four of these represent the first published TRGB distance measurements (IC 5332, NGC 2835, NGC 4298, and NGC 4321), and seven of which are the best available distances to these targets. We also provide a compilation of distances for the 118 galaxies in the full PHANGS sample, which have been adopted for 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).

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.

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.

We estimate the star formation efficiency per gravitational free fall time, $\epsilon_{\rm ff}$, from observations of nearby galaxies with resolution matched to the typical size of a Giant Molecular Cloud. This quantity, $\epsilon_{\rm ff}$, is theoretically important but so far has only been measured for Milky Way clouds or inferred indirectly in a few other galaxies. Using new, high resolution CO imaging from the PHANGS-ALMA survey, we estimate the gravitational free-fall time at 60 to 120 pc resolution, and contrast this with the local molecular gas depletion time to estimate $\epsilon_{\rm ff}$. Assuming a constant thickness of the molecular gas layer ($H = 100$ pc) across the whole sample, the median value of $\epsilon_{\rm ff}$ in our sample is $0.7\%$. We find a mild scale-dependence, with higher $\epsilon_{\rm ff}$ measured at coarser resolution. Individual galaxies show different values of $\epsilon_{\rm ff}$, with the median $\epsilon_{\rm ff}$ ranging from $0.3\%$ to $2.6\%$. We find the highest $\epsilon_{\rm ff}$ in our lowest mass targets, reflecting both long free-fall times and short depletion times, though we caution that both measurements are subject to biases in low mass galaxies. We estimate the key systematic uncertainties, and show the dominant uncertainty to be the estimated line-of-sight depth through the molecular gas layer and the choice of star formation tracers.