[論文レビュー] High-resolution, 3D radiative transfer modeling : I. The grand-design spiral galaxy M51

Ilse De Looze, J. Fritz+21 more|Research Explorer (The University of Manchester)|Sep 12, 2014

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 185被引用数 50

ひとこと要約

本研究では、マルコフ連鎖モンテカルロ法を用いたSKIRTコードを用いて、多波長観測から得られた星およびダストの分布を組み込んだ、高分解能3次元放射移動モデルを、大規模な渦巻銀河M51に対して構築した。その結果、若年星（≲100 Myr）が全赤外線ダスト加熱の63％を占め、進化した星族が残りの37％を占めることが明らかになった。また、赤外線およびサブミリ波長域では、古星族の寄与が徐々に顕著になることが示された。

ABSTRACT

Context: Dust reprocesses about half of the stellar radiation in galaxies. The thermal re-emission by dust of absorbed energy is considered driven merely by young stars and, consequently, often applied to trace the star formation rate in galaxies. Recent studies have argued that the old stellar population might anticipate a non-negligible fraction of the radiative dust heating. Aims: In this work, we aim to analyze the contribution of young (< 100 Myr) and old (~ 10 Gyr) stellar populations to radiative dust heating processes in the nearby grand-design spiral galaxy M51 using radiative transfer modeling. High-resolution 3D radiative transfer (RT) models are required to describe the complex morphologies of asymmetric spiral arms and clumpy star-forming regions and model the propagation of light through a dusty medium. Methods: In this paper, we present a new technique developed to model the radiative transfer effects in nearby face-on galaxies. We construct a high-resolution 3D radiative transfer model with the Monte-Carlo code SKIRT accounting for the absorption, scattering and non-local thermal equilibrium (NLTE) emission of dust in M51. The 3D distribution of stars is derived from the 2D morphology observed in the IRAC 3.6 μm, GALEX FUV, Hα and MIPS 24 μm wavebands, assuming an exponential vertical distribution with an appropriate scale height. The dust geometry is constrained through the far-ultraviolet (FUV) attenuation, which is derived from the observed total-infrared-to-far-ultraviolet luminosity ratio. The stellar luminosity, star formation rate and dust mass have been scaled to reproduce the observed stellar spectral energy distribution (SED), FUV attenuation and infrared SED. (abridged)

研究の動機と目的

• 近接銀河における若年星および古星族のダスト加熱への相対的寄与を定量化すること。
• 非対称な渦巻銀河腕における複雑なダスト遮蔽および光の伝播を正しく捉えることができない2次元モデルの限界を解消すること。
• 3次元幾何構造と非局所熱平衡（NLTE）ダスト放射を組み込むことで、ダストエネルギー収支モデルの精度を向上させること。
• 中程度の星形成活動を示す銀河において、全赤外線放射が星形成率のトレーサーとして信頼できるかを評価すること。
• 特定星形成率（sSFR）と若年星によるダスト加熱割合の間の経験的関係を導出すること。

提案手法

• マルコフ連鎖モンテカルロ法を用いたSKIRTコードを用いて、星光の吸収・散乱およびNLTEダスト放射を再現する3次元放射移動モデルを構築した。
• IRAC 3.6 µm、GALEX FUV、Hα、MIPS 24 µmバンドの観測2次元形状から、指数関数的垂直スケールヘイトを仮定して3次元星分布を導出した。
• 観測された全赤外線対遠紫外線光度比から導かれたFUV減光を用いて、ダストの幾何配置を制約した。
• 観測された星のスペクトルエネルギー分布（SED）、FUV減光、赤外線SEDを再現するために、星光度、星形成率、ダスト質量をスケーリングした。
• エネルギー収支が、吸収された星光と再放射されるダスト放射の間で成立しているかを確認するため、遠赤外線およびサブミリ波長観測とモデルを照合した。
• 異なる波長域における若年星によるダスト加熱割合と特定星形成率（sSFR）の相関関係を統計解析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M51におけるダスト加熱の何パーセントが若年星（≲100 Myr）と進化星族（∼10 Gyr）に起因するか。
• RQ2 若年星と古星族のダスト加熱への相対的寄与は、どの赤外線およびサブミリ波長域でどのように変化するか。
• RQ3 長波長赤外線およびサブミリ波長域において、古星族の寄与はどの程度顕著になるか。
• RQ4 若年星によるダスト加熱割合と特定星形成率（sSFR）の観測相関関係は、他の銀河への一般化に利用可能か。
• RQ5 なぜ2次元放射移動モデルは高傾き銀河ではダストエネルギー収支をバランスさせることができないのか。3次元モデルはその問題をどのように解決するか。

主な発見

• 3次元放射移動モデルは、M51の観測された遠赤外線およびサブミリ波長放射を良好に再現しており、吸収された星光と熱的ダスト再放射の間でエネルギー収支が成立していることが確認された。
• 若年星（≲100 Myr）が全赤外線放射（8–1000 µm）に起因するダスト加熱の63％を供給するが、進化星族は残りの37％を占める。
• 個々の赤外線波長域では、若年星の寄与が全波長で支配的であるが、長波長域に向かって徐々に減少し、古星族の寄与が無視できない程度に顕著になる。
• 特定星形成率（sSFR）と若年星によるダスト加熱割合の間にはきつい相関関係が認められ、他の銀河への外挿が可能である。
• sSFRが log sSFR ≳ -9.75 の場合、全赤外線ダスト加熱は若年星が支配的であるが、log sSFR ≲ -10.46 の領域では、半数以上が主に星間放射場（つまり古星族）に起因する可能性がある。
• 本研究は、古星族によるダスト加熱寄与が、全赤外線バンドで顕著であることを示しており、静穏または中程度の活動を示す銀河では全赤外線放射が純粋な星形成率トレーサーであるという仮定に疑問を呈する。