[論文レビュー] Dust masses and star formation in bright IRAS galaxies Application of a physical model for the interpretation of FIR observations

A. Misiriotis, I. E. Papadakis+2 more|ArXiv.org|Dec 10, 2003

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 59被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、62個の明るいIRAS銀河に対して3次元放射移動モデルを適用し、Kバンド光度測定とSFRに依存するUV放射を用いて、観測されたFIR SEDにフィットさせることで、ダスト質量と星形成率（SFR）を導出している。この結果、これらの銀河は通常のスパイラル銀河と比較して、より高いSFR、ダスト質量、およびFIR対内部光度比を示しており、FIR光度とSFR／ダスト質量の間に強い相関があることが判明し、SFRの推定が約2倍の誤差で信頼できることが示された。

ABSTRACT

We address the problem of modeling the far-infrared (FIR) spectrum and deriving the star-formation rate (SFR) and the dust mass of spiral galaxies. We use the realistic physical model of Popescu et al. (2000) to describe the overall ultra-violet (UV), optical and FIR spectral energy distribution (SED) of a spiral galaxy. The model has only three free parameters: SFR, dust mass, and the fraction of the UV radiation which is absorbed locally by dense dust in the HII regions. Using this model, we are able to fit well the FIR spectra of 62 bright, IRAS galaxies from the "SCUBA Local Universe Galaxy Survey" of Dunne et al.(2000). As a result, we are able to determine, among others, their SFR and dust mass. We find that, on average, the SFR (in absolute units), the star-formation efficiency, the SFR surface density, and the ratio of FIR luminosity over the total intrinsic luminosity, are larger than the respective values of typical spiral galaxies of the same morphological type. We also find that the mean gas-to-dust mass ratio is close to the Galactic value, while the average central face-on optical depth of these galaxies in the V band is 2.3. Finally, we find a strong correlation between SFR or dust mass and observed FIR quantities like total FIR luminosity or FIR luminosity at 100 and 850 $\mathrm{μm}$. These correlations yield well defined relations, which can be used to determine a spiral galaxy's SFR and dust-mass content from FIR observations.

研究の動機と目的

• FIR観測を用いて、スパイラル銀河における星形成率（SFR）とダスト質量を物理的に整合性のある方法で導出するための手法を開発すること。
• 通常のスパイラル銀河においてダスト減光の影響を受ける標準的なSFR診断法の限界を解消すること。
• ダストの幾何構造、光学的厚さ、および星の分布がFIRスペクトルエネルギー分布（SED）に与える影響を調査すること。
• 中程度の光学的厚さを示す銀河において、FIR光度がSFRおよびダスト質量と信頼性高く相関しているかどうかを検証すること。
• 後期スパイラル銀河におけるFIRフラックスからSFRおよびダスト質量を推定するための経験的診断関係を確立すること。

提案手法

• 3次元放射移動モデルを用いて、古星および若星、およびダストの空間的分布を考慮した、UV〜FIR全波長域のSEDをシミュレートする。
• 観測されたKバンドマグニチュードから内在するKバンドSEDを導出し、パopulation合成モデルを用いてSFRに比例するUV SEDをスケーリングする。
• 放射移動方程式を解き、ダスト加熱、FIR領域での再放射、および最終的な放射出射SEDを計算する。
• 各銀河ごとに3つの自由パラメータ（SFR、ダスト質量、HII領域で局所的に吸収されるUV放射の割合F）を調整する。
• SCUBA Local Universe Galaxy Surveyの観測されたFIR SEDをモデルSEDにフィットさせ、物理的パラメータを導出する。
• 850 μmにおけるダスト断面積を0.505 cm²/gと仮定し、代替値を用いた感度解析も実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中程度の光学的厚さと、若星および古星の両方の寄与を考慮した場合、明るいIRAS銀河のFIR SEDは、その内在的SFRおよびダスト質量とどのように関係しているか？
• RQ2 HII領域で局所的に吸収されるUV放射の割合Fは、通常のスパイラル銀河と比較して、これらの銀河のFIR対内部光度比の増大をどの程度説明できるか？
• RQ3 物理的に妥当なモデルは、同型の平均よりも明るいKバンドマグニチュードを示す後期スパイラル銀河のFIR SEDを再現できるか？
• RQ4 これらの銀河におけるダスト質量、ガス表面密度、および光学的厚さの関係は何か？また、銀河中心の値と比較するとどうなるか？
• RQ5 FIRフラックスのみからモデルで導出されたSFRおよびダスト質量は信頼性を持って推定できるか？また、不確実性は何か？

主な発見

• サンプル銀河の平均星形成率（SFR）およびダスト質量は、同型の通常のスパイラル銀河よりも高い。
• 平均ガス対ダスト質量比は、銀河の値とほぼ同一であり、ダスト化学に顕著な乖離はないことを示唆している。
• 平均中心面からのVバンド光学的厚さは2.3であり、顕著に高い不透明度を示しており、面から見ても内側領域が濃い。
• FIR光度（L_FIR）とSFRの間に強い相関があり、L_FIRまたはL_100からSFRを約2倍の誤差で推定可能である。
• SFR単位光度あたりの値は、銀河の光度が高くなるにつれて減少し、通常の銀河の傾向と整合的である。
• モデルで導出されたダスト質量は850 μm光度と強く相関しており、主に850 μmにおける仮定されたダスト断面積に依存する不確実性が支配的である。