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 far-infrared (FIR) lines are key tracers of the physical conditions of the interstellar medium (ISM) and are becoming workhorse diagnostics for galaxies throughout the universe. Our goal is to explain the differences and trends observed in the FIR line emission of dwarf galaxies compared to more metal-rich galaxies. We present Herschel PACS spectroscopic observations of the CII157um, OI63 and 145um, OIII88um, NII122 and 205um, and NIII57um fine-structure cooling lines in a sample of 48 low-metallicity star-forming galaxies of the guaranteed time key program Dwarf Galaxy Survey. We correlate PACS line ratios and line-to-LTIR ratios with LTIR, LTIR/LB, metallicity, and FIR color, and interpret the observed trends in terms of ISM conditions and phase filling factors with Cloudy radiative transfer models. We find that the FIR lines together account for up to 3 percent of LTIR and that star-forming regions dominate the overall emission in dwarf galaxies. Compared to metal-rich galaxies, the ratios of OIII/NII122 and NIII/NII122 are high, indicative of hard radiation fields. In the photodissociation region (PDR), the CII/OI63 ratio is slightly higher than in metal-rich galaxies, with a small increase with metallicity, and the OI145/OI63 ratio is generally lower than 0.1, demonstrating that optical depth effects should be small on the scales probed. The OIII/OI63 ratio can be used as an indicator of the ionized gas/PDR filling factor, and is found ~4 times higher in the dwarfs than in metal-rich galaxies. The high CII/LTIR, OI/LTIR, and OIII/LTIR ratios, which decrease with increasing LTIR and LTIR/LB, are interpreted as a combination of moderate FUV fields and low PDR covering factor. Harboring compact phases of low filling factor and a large volume filling factor of diffuse gas, the ISM of low-metallicity dwarf galaxies has a more porous structure than that in metal-rich galaxies.

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 Globular clusters (GCs) formed when the Milky Way experienced a phase of rapid assembly. We use the wealth of information contained in the Galactic GC population to quantify the properties of the satellite galaxies from which the Milky Way assembled. To achieve this, we train an artificial neural network on the E-MOSAICS cosmological simulations of the co-formation and co-evolution of GCs and their host galaxies. The network uses the ages, metallicities, and orbital properties of GCs that formed in the same progenitor galaxies to predict the stellar masses and accretion redshifts of these progenitors. We apply the network to Galactic GCs associated with five progenitors: Gaia-Enceladus, the Helmi streams, Sequoia, Sagittarius, and the recently discovered ‘low-energy’ GCs, which provide an excellent match to the predicted properties of the enigmatic galaxy ‘Kraken’. The five galaxies cover a narrow stellar mass range [M⋆ = (0.6–4.6) × 108 M⊙], but have widely different accretion redshifts ($\mbox{$z_{\rm acc}$}=0.57\!-\!2.65$). All accretion events represent minor mergers, but Kraken likely represents the most major merger ever experienced by the Milky Way, with stellar and virial mass ratios of $\mbox{$r_{M_\star }$}=1$:$31^{+34}_{-16}$ and $\mbox{$r_{M_{\rm h}}$}=1$:$7^{+4}_{-2}$, respectively. The progenitors match the z = 0 relation between GC number and halo virial mass, but have elevated specific frequencies, suggesting an evolution with redshift. Even though these progenitors likely were the Milky Way’s most massive accretion events, they contributed a total mass of only log (M⋆, tot/M⊙) = 9.0 ± 0.1, similar to the stellar halo. This implies that the Milky Way grew its stellar mass mostly by in-situ star formation. We conclude by organizing these accretion events into the most detailed reconstruction to date of the Milky Way’s merger tree.

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.

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.