[論文レビュー] High-resolution, 3D radiative transfer modelling. II. The early-type spiral galaxy M81

Sam Verstocken, Angelos Nersesian+15 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 130被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、SKIRTコードを用いて、初期型スパイラル銀河M81におけるUV〜サブミリ波長域の全放射場をシミュレートする、半自動的3次元放射移動モデリングパイプラインを提示する。その結果、ほこりの加熱の50.2%しか若年星団（100 Myr未塔）に起因せず、中心部では古星団が支配的であることが判明し、銀河におけるほこり加熱の主因が星形成であるという仮定に疑問を呈する。

ABSTRACT

Interstellar dust absorbs stellar light very efficiently and thus shapes the energetic output of galaxies. Studying the impact of different stellar populations on the dust heating remains hard because it requires decoupling the relative geometry of stars and dust, and involves complex processes as scattering and non-local dust heating. We aim to constrain the relative distribution of dust and stellar populations in the spiral galaxy M81 and create a realistic model of the radiation field that describes the observations. Investigating the dust-starlight interaction on local scales, we want to quantify the contribution of young and old stellar populations to the dust heating. We aim to standardise the setup and model selection of such inverse radiative transfer simulations so this can be used for comparable modelling of other nearby galaxies. We present a semi-automated radiative transfer modelling pipeline that implements the necessary steps such as the geometric model construction and the normalisation of the components through an optimisation routine. We use the Monte Carlo radiative transfer code SKIRT to calculate a self-consistent, panchromatic model of the interstellar radiation field. By looking at different stellar populations independently, we can quantify to what extent different stellar age populations contribute to the dust heating. Our method takes into account the effects of non-local heating. We obtain a realistic 3D radiative transfer model of the face-on galaxy M81. We find that only 50.2\% of the dust heating can be attributed to young stellar populations. We confirm a tight correlation between the specific star formation rate and the heating fraction by young stellar populations, both in sky projection and in 3D, also found for radiative transfer models of M31 and M51. We conclude that... (abridged)

研究の動機と目的

• 物理的に自己整合的な3次元放射移動モデルを用いて、M81におけるほこりおよび星団の空間的分布を制約すること。
• 非局所的加熱および散乱を考慮した上で、若年および古星団がほこり加熱に果たす相対的寄与を定量化すること。
• 他の近傍銀河に適用可能な標準化された半自動パイプラインを、3次元放射移動モデリング用に開発すること。
• 特定星形成率（sSFR）などの観測診断と、ほこり加熱割合との関係を調査すること。
• UV〜サブミリ波長域の観測データと比較することで、モデリング手法の信頼性と限界を評価すること。

提案手法

• 多波長画像データからの形態的制約をもとに、M81の3次元幾何モデルを構築する。
• Pythonモジュールを用いて、適合ルーチンを通じて成分の正規化および幾何形状を最適化する半自動パイプラインを実装する。
• モンテカルロ放射移動コードSKIRTを用いて、散乱および非局所的加熱を含む全パノラマ的放射場をシミュレートする。
• 星団を若年（100 Myr未塔）および古星団に分け、それぞれのほこり吸収および再放射能への寄与を個別に追跡する。
• UV〜サブミリ波長帯域におけるシミュレートされたスペクトルエネルギー分布（SED）および画像と観測値との残差を最小化することで、モデル成分を正規化する。
• 残差解析を用いてモデルを検証し、観測フラックスの50%以内に収まる残差が大部分であることを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M81におけるほこり加熱の何パーセントが若年星団に起因するか、古星団に起因するか？
• RQ2 特にバルジおよびスパイラルアーム部において、ほこり加熱割合はM81の異なる領域でどのように変化するか？
• RQ3 特定星形成率（sSFR）と若年星団によるほこり加熱割合の間には強い相関があるか？
• RQ4 非局所的加熱効果および散乱は、全体の放射場およびほこり温度分布にどのように影響するか？
• RQ5 sSFRは、若年星団によるほこり加熱に占める相対的寄与を信頼できる観測的代理指標として用いることができるか？

主な発見

• M81における全ほこり加熱の50.2%しか若年星団（100 Myr未塔）に起因せず、残りの49.8%は古星団が支配的である。
• 中心部3 kpc領域では、星形成活動が顕著にもかかわらず、あらゆる吸収帯域で若年星団による加熱割合は1%未塔である。
• 古星団が中心バルジ部の主加熱源となっており、モデルでは最も高いほこり温度を示している。
• 全般的に星団放射の11.3%がほこりに吸収されるが、電離する若年星団では62%、非電離する若年星団では30%に上昇する。
• 若年星団による加熱割合と特定星形成率（sSFR）との間に強い相関が存在し、2次元投影および3次元両方の解析で確認され、sSFRが主要な診断指標であることを支持する。
• ほこりの放射能密度は星形成率密度と強く相関するが、これは主にほこり密度と星形成率密度のきつい相関に起因し、加熱割合そのものによるものではない。