[論文レビュー] Cold dust in a selected sample of nearby galaxies. I. The interacting galaxy NGC4631

M. Dumke, M. Krause+1 more|ArXiv.org|Nov 26, 2003

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 28被引用数 26

ひとこと要約

本研究では、870 μmおよび1.23 mmの準ミリ波長連続スペクトル観測を通じて、縁面に向かって向き合った相互作用銀河NGC 4631の冷たいチリ放射を、非熱的およびライン寄与を差し引いた後に解像した。観測データは、標準的な2成分チリモデルでは説明できない顕著なミリ波過剰を示しており、極めて冷たいチリや増強された非常に小さなチリよりも、異常な粒子光学的性質が原因である可能性を示唆している。チリ吸収断面積は、予想される値よりも約3倍に上昇している。

ABSTRACT

We have observed the continuum emission of the interacting galaxy NGC4631 at 0.87 and 1.23mm using the Heinrich-Hertz-Telescope on Mt. Graham and the IRAM 30-m telescope on Pico Veleta. We have obtained fully sampled maps which cover the optical emission out to a radius of about 7' at both wavelengths. For a detailed analysis, we carefully subtracted the line contributions and synchrotron and free-free emission from the data, which added up to 6% at 1.23mm and 10% at 0.87mm. We combined the flux densities with FIR data to obtain dust spectra and calculate dust temperatures, absorption cross sections, and masses. Assuming a ``standard'' dust model, which consists of two populations of big grains at moderate and warm temperatures, we obtained temperatures of 18K and 50K for the both components. However, such a model suffers from an excess of the radiation at 1.23mm, and the dust absorption cross section seems to be enhanced by a factor 3 compared to previous results and theoretical expectations. At large galactocentric radii, where the galaxy shows disturbances as a result of gravitational interaction, this effect seems to be even stronger. Some possibilities to resolve these problems are discussed. The data could be explained by a very cold dust component at a temperature of 4-6K, an increased abundance of very small grains, or a component of grains with unusual optical properties. We favour the latter possibility, since the first two lead to inconsistencies.

研究の動機と目的

• 高感度の準ミリ波長連続スペクトル観測を用いて、近距離の相互作用銀河NGC 4631における冷たいチリの熱放射を調査すること。
• 0.87 mmおよび1.23 mm帯域における非熱的（シンクロトロン、自由自由）およびライン寄与からチリ放射を分離すること。
• FIRからミリ波にかけてのスペクトルエネルギー分布に修正プランクスペクトルをフィットさせ、チリ温度、質量、吸収断面積を決定すること。
• 特に観測されたミリ波過剰と上昇した吸収断面積という、モデルの不一致を解消すること。
• 過剰放射の物理的起源を検討すること。これには、極めて冷たいチリ、非常に小さなチリ（VSGs）、または異常な光学的性質を持つチリが含まれる。

提案手法

• 観測はヘインリヒ＝ハーツテレスコープ（870 μm）およびIRAM 30m望遠鏡（1.23 mm）を用い、光学的ディスクが約7′までカバーされる完全にサンプリングされたマップを得た。
• ライン放射（CO(3–2), (2–1)）、シンクロトロン、自由自由放射の非チリ寄与を差し引いた結果、870 μmでは10%、1.23 mmでは6%に相当した。
• FIRからミリ波にかけてのスペクトルエネルギー分布に2成分の修正プランク関数をフィットさせ、チリ温度と発光性を導出した。
• フィットされたスペクトルからチリ質量および吸収断面積を計算したが、特にミリ波領域での不一致に注意を払った。
• 代替モデルとして、非常に冷たいチリ成分（4–6 K）、増強された非常に小さなチリ（VSGs）、異常な光学的性質を持つチリを評価した。
• 各モデルの整合性を、観測された全波長、チリ質量、およびガス対チリ比（特に不規則な外縁領域）に対してテストした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜNGC 4631の観測されたチリスペクトルは、標準的な2成分チリモデルの予測とは異なり、1.23 mmで顕著な過剰を示すのか？
• RQ2 観測されたチリ吸収断面積が理論的予測値よりも約3倍に上昇しているのは、どのような物理的メカニズムに起因するのか？
• RQ3 非常に冷たいチリ（4–6 K）または非常に小さなチリの過剰が、ミリ波過剰を説明できるのか、それともチリ質量およびガス対チリ比に整合性のない結果をもたらすのか？
• RQ4 なぜ異常放射が主にディスクの不規則な外縁領域に集中しているのか、重力的相互作用と関連している可能性は何か？
• RQ5 ファラクトルや多孔質構造を持つ粒子といった、異常な光学的性質を持つ粒子が、標準的なコンパクト粒子モデルよりも観測された準ミリ波放射をよりよく説明できるのか、その程度はいかほどか？

主な発見

• 非干渉寄与を差し引いたチリ連続スペクトルの全波長密度は、870 μmで3.41 ± 0.58 mJy、1.23 mmで2.04 ± 0.23 mJyであり、冷たいチリの熱放射に起因するとされた。
• 2成分の修正プランク関数のフィットにより、チリ温度は18 K（冷たい成分）および50 K（暖かい成分）が得られ、冷たい成分がλ > 200 μmの波長域で支配的放射を示した。
• 観測スペクトルは準ミリ波／ミリ波領域であまりに平坦であり、標準モデルでは説明できない1.23 mmでの顕著な過剰を示している。
• 導出されたチリ吸収断面積は、理論的予測値および過去の観測値と比較して約3倍に上昇しており、特に外縁で不規則な領域で顕著であった。
• 非常に冷たいチリ成分（4–6 K）または増強された非常に小さなチリを含むモデルは、チリ質量およびガス対チリ比に整合性のない結果をもたらすため、それらの説明はあまり妥当ではない。
• 最も妥当な説明は、ファラクトルや多孔質構造を持つ粒子からなる、異常な光学的性質を持つチリ集団が、合理的なガス対チリ比を維持しながら観測されたミリ波過剰を生み出していることである。