[論文レビュー] High-Resolution Panchromatic Spectral Models of Galaxies including Photoionisation and Dust

Patrik Jönsson, Brent Groves+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2009

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 2被引用数 12

ひとこと要約

本論文では、光電離およびダスト放射モデルを統合した、sunrise放射移動コードの拡張版を提示する。このモデルは、高分解能で2次元のパンクロマチックスペクトルエネルギー分布（SED）を、模擬銀河に対して生成する。多波長モンテカルロ法と、mappingsIII光電離コードを組み合わせることで、UVからサブミリメートル域のSEDおよび発光線を正確に再現し、観測されたSINGSおよびSLUGS銀河と強く一致する。ただし、SINGS銀河では160 μm/850 μm比が5倍程度低予測されているが、これはSLUGSに見られるような高い冷たいダスト含有量と整合的である。

ABSTRACT

An updated version of the dust radiation transfer code Sunrise, including models for star-forming regions and a self-consistent calculation of the spatially dependent dust and PAH emission, is presented. Given a hydrodynamic simulation of a galaxy, this model can calculate a realistic 2-dimensional ultraviolet--submillimeter spectral energy distribution of the galaxy, including emission lines from HII regions, from any viewpoint. To model the emission from star-forming regions, the MAPPINGSIII photoionization code is used. The high wavelength resolution (~ 1000 wavelengths) is made possible by the polychromatic Monte-Carlo algorithm employed by Sunrise. From the 2-D spectral energy distributions, images in any filter bands or integrated galaxy SEDs can be created. Using a suite of hydrodynamic simulations of disc galaxies, the output broad-band images and spectral energy distributions are compared with observed galaxies from the multiwavelength SINGS and SLUGS galaxy surveys. Overall, the output spectral energy distributions show a good match with observed galaxies in colours ranging from GALEX far-UV to SCUBA submillimeter wavelengths. The only possible exception is the 160 micron/850 micron colour, which the simulations underestimate by a factor "of order 5" compared to the SINGS sample. However, the simulations here agree with the SLUGS galaxies, which consistently have significantly larger amounts of cold dust than the SINGS galaxies. The Sunrise model can be used to generate simulated observations of arbitrary hydrodynamic galaxy simulations. In this way, predictions of galaxy formation theories can be directly tested against observations of galaxies.

研究の動機と目的

• 模擬銀河の全スペクトルエネルギー分布（SED）を、発光線およびダスト効果を含めて物理的に整合性のある方法で計算するための手法の開発。
• 既存モデルの限界を克服するため、空間的分解能を無視するか、星形成領域における発光線を省略するモデルの問題を解決すること。
• シミュレーション出力から現実的なSEDおよび画像を予測することで、流体力学的銀河シミュレーションと多波長観測を直接比較可能にする。
• 質量ベースのシミュレーションと光ベースの観測の間のギャップを埋めるために、空間的に分解された幾何構造を組み込んだ放射移動を実装すること。
• 今後の極端な系（高赤方偏移合体やAGN影響を受ける銀河）のモデリングの基盤を築くこと。

提案手法

• polychromaticモンテカルロ法を用いて、自己一貫的かつ空間的に分解されたダストおよびPAH放射をsunriseコードに統合する。
• H II領域における光電離は、星からの電離放射に基づいて、線発光および電離構造を計算するmappingsIIIコードを用いてモデル化する。
• モデルは約1000波長の高スペクトル分解能を用い、発光線を解像するためのUV-光学域での細かいサンプリングと、赤外域での粗いサンプリングを実施する。
• 銀河スケールの放射移動は、流体力学的シミュレーションから得られる星およびダストの3次元幾何構造を用いて実行され、任意の視点から2次元SEDが得られる。
• フィルタ応答関数を用いて、全2次元スペクトル出力からブロードバンド画像および統合SEDを合成する。
• 時間分解された星形成歴と連携することで、非一様な減光、クラスタ型ISM、時間依存発光を考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光電離とダスト放射を併用した放射移動モデルが、模擬銀河の全パンクロマチックSEDをどの程度正確に再現できるか。
• RQ2 本モデルは、実際の銀河と比較して、UVからサブミリメートル波長域にわたり、観測SEDおよび色をどの程度再現するか。
• RQ3 なぜ本モデルは、観測結果と比較してSINGS銀河の160 μm/850 μm放射率比を約5倍低く予測しているのか。
• RQ4 空間的に分解された星形成およびダスト分布を有する流体力学的シミュレーションから、本モデルが実際にSEDおよび画像を予測できるか。
• RQ5 今後の研究で、放射移動に運動学的効果やAGN寄与を組み込むには、どのようにモデルを拡張できるか。

主な発見

• 本モデルは、H II領域からの発光線および空間的に分解されたダストおよびPAH放射を含む、流体力学的シミュレーションからの高分解能2次元スペクトルエネルギー分布を生成する。
• 予測されたSEDは、SINGSおよびSLUGS調査の観測銀河と、UVからサブミリメートル域にわたり良好に一致する。
• 本モデルは、SINGSサンプルと比較して160 μm/850 μmの放射率比を約5倍低く予測しており、これはシミュレーションにおける冷たいダスト放射の不足を示唆している。
• シミュレーションは、顕著に高い冷たいダスト含有量を示すSLUGSサンプルとよく一致しており、観測された極めてダストに富んだ系と整合的である。
• 本モデルのスペクトル分解能（約1000波長）により、発光線の細かいサンプリングが可能であり、多波長モンテカルロ法を用いることで、最大13,000チャンネルの高分解能も実現可能である。
• 今後の拡張として、放射移動における運動学的効果の統合およびより物理的に根拠のあるダスト処理（例：金属量依存の粒子性質）の導入が計画されている。