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.

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.

We compare the observed turbulent pressure in molecular gas, $P_\mathrm{turb}$, to the required pressure for the interstellar gas to stay in equilibrium in the gravitational potential of a galaxy, $P_\mathrm{DE}$. To do this, we combine arcsecond resolution CO data from PHANGS-ALMA with multi-wavelength data that traces the atomic gas, stellar structure, and star formation rate (SFR) for 28 nearby star-forming galaxies. We find that $P_\mathrm{turb}$ correlates with, but almost always exceeds the estimated $P_\mathrm{DE}$ on kiloparsec scales. This indicates that the molecular gas is over-pressurized relative to the large-scale environment. We show that this over-pressurization can be explained by the clumpy nature of molecular gas; a revised estimate of $P_\mathrm{DE}$ on cloud scales, which accounts for molecular gas self-gravity, external gravity, and ambient pressure, agrees well with the observed $P_\mathrm{turb}$ in galaxy disks. We also find that molecular gas with cloud-scale ${P_\mathrm{turb}}\approx{P_\mathrm{DE}}\gtrsim{10^5\,k_\mathrm{B}\,\mathrm{K\,cm^{-3}}}$ in our sample is more likely to be self-gravitating, whereas gas at lower pressure appears more influenced by ambient pressure and/or external gravity. Furthermore, we show that the ratio between $P_\mathrm{turb}$ and the observed SFR surface density, $\Sigma_\mathrm{SFR}$, is compatible with stellar feedback-driven momentum injection in most cases, while a subset of the regions may show evidence of turbulence driven by additional sources. The correlation between $\Sigma_\mathrm{SFR}$ and kpc-scale $P_\mathrm{DE}$ in galaxy disks is consistent with the expectation from self-regulated star formation models. Finally, we confirm the empirical correlation between molecular-to-atomic gas ratio and kpc-scale $P_\mathrm{DE}$ reported in previous works.

Abstract Using the PHANGS–ALMA CO(2–1) survey, we characterize molecular gas properties on ∼100 pc scales across 102,778 independent sightlines in 70 nearby galaxies. This yields the best synthetic view of molecular gas properties on cloud scales across the local star-forming galaxy population obtained to date. Consistent with previous studies, we observe a wide range of molecular gas surface densities (3.4 dex), velocity dispersions (1.7 dex), and turbulent pressures (6.5 dex) across the galaxies in our sample. Under simplifying assumptions about subresolution gas structure, the inferred virial parameters suggest that the kinetic energy of the molecular gas typically exceeds its self-gravitational binding energy at ∼100 pc scales by a modest factor (1.3 on average). We find that the cloud-scale surface density, velocity dispersion, and turbulent pressure (1) increase toward the inner parts of galaxies, (2) are exceptionally high in the centers of barred galaxies (where the gas also appears less gravitationally bound), and (3) are moderately higher in spiral arms than in inter-arm regions. The galaxy-wide averages of these gas properties also correlate with the integrated stellar mass, star formation rate, and offset from the star-forming main sequence of the host galaxies. These correlations persist even when we exclude regions with extraordinary gas properties in galaxy centers, which contribute significantly to the inter-galaxy variations. Our results provide key empirical constraints on the physical link between molecular cloud populations and their galactic environment.

Abstract Star formation is a multi-scale process that requires tracing cloud formation and stellar feedback within the local (≲kpc) and global galaxy environment. We present first results from two large observing programs on the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA)and the Very Large Telescope/Multi Unit Spectroscopic Explorer(VLT/MUSE), mapping cloud scales (1″ = 47 pc) in both molecular gas and star-forming tracers across 90 kpc 2 of the central disk of NGC 628 to probe the physics of star formation. Systematic spatial offsets between molecular clouds and H ii regions illustrate the time evolution of star-forming regions. Using uniform sampling of both maps on 50–500 pc scales, we infer molecular gas depletion times of 1–3 Gyr, but also find that the increase of scatter in the star formation relation on small scales is consistent with gas and H ii regions being only weakly correlated at the cloud (50 pc) scale. This implies a short overlap phase for molecular clouds and H ii regions, which we test by directly matching our catalog of 1502 H ii regions and 738 GMCs. We uncover only 74 objects in the overlap phase, and we find depletion times >1 Gyr, significantly longer than previously reported for individual star-forming clouds in the Milky Way. Finally, we find no clear trends that relate variations in the depletion time observed on 500 pc scales to physical drivers (metallicity, molecular and stellar-mass surface density, molecular gas boundedness) on 50 pc scales.

Abstract We describe the processing of the PHANGS–ALMA survey and present the PHANGS–ALMA pipeline, a public software package that processes calibrated interferometric and total power data into science-ready data products. PHANGS–ALMA is a large, high-resolution survey of CO(2–1) emission from nearby galaxies. The observations combine ALMA’s main 12 m array, the 7 m array, and total power observations, and use mosaics of dozens to hundreds of individual pointings. We describe the processing of the u − v data, imaging and deconvolution, linear mosaicking, combining interferometer and total power data, noise estimation, masking, data product creation, and quality assurance. Our pipeline has a general design and can also be applied to Very Large Array and ALMA observations of other spectral lines and continuum emission. We highlight our recipe for deconvolution of complex spectral line observations, which combines multiscale clean, single-scale clean, and automatic mask generation in a way that appears robust and effective. We also emphasize our two-track approach to masking and data product creation. We construct one set of “broadly masked” data products, which have high completeness but significant contamination by noise, and another set of “strictly masked” data products, which have high confidence but exclude faint, low signal-to-noise emission. Our quality assurance tests, supported by simulations, demonstrate that 12 m+7 m deconvolved data recover a total flux that is significantly closer to the total power flux than the 7 m deconvolved data alone. In the appendices, we measure the stability of the ALMA total power calibration in PHANGS–ALMA and test the performance of popular short-spacing correction algorithms.

Abstract The processes regulating star formation in galaxies are thought to act across a hierarchy of spatial scales. To connect extragalactic star formation relations from global and kiloparsec-scale measurements to recent cloud-scale resolution studies, we have developed a simple, robust method that quantifies the scale dependence of the relative spatial distributions of molecular gas and recent star formation. In this paper, we apply this method to eight galaxies with ∼1″ resolution molecular gas imaging from the Physics at High Angular resolution in Nearby GalaxieS–ALMA (PHANGS–ALMA) survey and PdBI Arcsecond Whirlpool Survey (PAWS) that have matched resolution, high-quality narrowband H α imaging. At a common scale of 140 pc, our massive (log( M ⋆ [ M ⊙ ]) = 9.3–10.7), normally star-forming (SFR[ M ⊙ yr −1 ] = 0.3–5.9) galaxies exhibit a significant reservoir of quiescent molecular gas not associated with star formation as traced by H α emission. Galactic structures act as backbones for both molecular gas and H ii region distributions. As we degrade the spatial resolution, the quiescent molecular gas disappears, with the most rapid changes occurring for resolutions up to ∼0.5 kpc. As the resolution becomes poorer, the morphological features become indistinct for spatial scales larger than ∼1 kpc. The method is a promising tool to search for relationships between the quiescent or star-forming molecular reservoir and galaxy properties, but requires a larger sample size to identify robust correlations between the star-forming molecular gas fraction and global galaxy parameters.

It remains unclear what sets the efficiency with which molecular gas transforms into stars. Here we present a new VLA map of the spiral galaxy M 51 in 33 GHz radio continuum, an extinction-free tracer of star formation, at 3″ scales (∼100 pc). We combined this map with interferometric PdBI/NOEMA observations of CO(1–0) and HCN(1–0) at matched resolution for three regions in M 51 (central molecular ring, northern and southern spiral arm segments). While our measurements roughly fall on the well-known correlation between total infrared and HCN luminosity, bridging the gap between Galactic and extragalactic observations, we find systematic offsets from that relation for different dynamical environments probed in M 51; for example, the southern arm segment is more quiescent due to low star formation efficiency (SFE) of the dense gas, despite its high dense gas fraction. Combining our results with measurements from the literature at 100 pc scales, we find that the SFE of the dense gas and the dense gas fraction anti-correlate and correlate, respectively, with the local stellar mass surface density. This is consistent with previous kpc-scale studies. In addition, we find a significant anti-correlation between the SFE and velocity dispersion of the dense gas. Finally, we confirm that a correlation also holds between star formation rate surface density and the dense gas fraction, but it is not stronger than the correlation with dense gas surface density. Our results are hard to reconcile with models relying on a universal gas density threshold for star formation and suggest that turbulence and galactic dynamics play a major role in setting how efficiently dense gas converts into stars.