[論文レビュー] HST study of Lyman-alpha emission in star-forming galaxies: the effect of neutral gas flows

D. Kunth, Mas-Hesse, J. M.+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 1998

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 1被引用数 11

ひとこと要約

このHST GHRS観測による8個のHII銀河の研究では、赤方偏移した中性ガスの高速放出（最大200 km/s）が、共鳴散乱を長波長側へシフトさせることで吸収を減少させ、Lyman-alpha放射が脱出可能になることが明らかになった。中性ガスの速度構造が、単に密度やダストよりも、Lyman-alphaの検出可能性を決定づける主要要因であることが示され、高赤方偏移における星形成率推定に用いられるLyman-alphaサーベイの仮定に疑問を呈する。

ABSTRACT

We present high dispersion HST GHRS UV spectroscopic observations of 8 HII galaxies covering a wide range of metallicities and physical properties. We have found Lyalpha emission in 4 galaxies with blueshifted absorption features, leading to PCygni like profiles in 3 of them. In all these objects the OI and S II absorption lines are also blueshifted with respect to the ionized gas, indicating that the neutral gas is outflowing in these galaxies with velocities up to 200 km/s.The rest of the sample shows broad damped Lyalpha absorption profiles centered at the wavelength corresponding to the redshift of the H II emitting gas. We therefore find that the velocity structure of the neutral gas in these galaxies is the driving factor that determines the detectability of Lyalpha in emission. Relatively small column densities of neutral gas with even very small dust content would destroy the Lyalpha emission if this gas is static with respect to the ionized region where Lyalpha photons originate. The situation changes dramatically when most of the neutral gas is velocity-shifted with respect to the ionized regions because resonant scattering by neutral hydrogen will be most efficient at wavelengths shorter than the Lyalpha emission, allowing the Lyalpha photons to escape (at least partially). This mechanism complements the effect of porosity in the neutral interstellar medium discussed by other authors. The anisotropy of these gas flows and their dependence on the intrinsic properties of the violent star-forming episodes might explain the apparent lack of correlation between metallicity and the frequency of occurence and strength of Lyalpha emission in star-forming galaxies. Attempts to derive the comoving star-formation rate at high redshifts from Lyalpha emission searches are highly questionable.

研究の動機と目的

• 金属量に差がある星形成銀河におけるLyman-alpha放射を支配する物理的条件を調査すること。
• 強力なイオン化ガス放射があるにもかかわらずLyman-alpha放射がしばしば検出されない理由を特定すること。
• 中性ガスの運動学的性質とダストが、Lyman-alphaの脱出を抑制または促進する役割を評価すること。
• 高赤方偏移における星形成を tracer としてLyman-alpha放射を使用する信頼性を評価すること。

提案手法

• 8個のHII銀河を、さまざまな金属量および物理的性質を有する対象として、高分解能のHST GHRS紫外分光測定を用いて観測した。
• Lyman-alpha、OI、S II線のスペクトルプロファイルを解析し、イオン化ガスと中性ガス成分の間の速度シフトを測定した。
• 中性ガスの速度構造と、スペクトル内でのLyman-alpha放射の有無・無しとの相関関係を評価した。
• 共鳴散乱メカニズムをモデル化し、ブルーシフトした中性ガスが散乱を発光ラインの赤方偏移側へシフトさせ、再吸収を低減することでLyman-alpha光子の脱出を可能にする仕組みを説明した。
• 宇宙空間における間隙の性質とダスト減光の既存モデルと結果を比較した。
• 統計的解析により、Lyman-alpha放射の頻度と強度が金属量そのものよりも、中性ガスの運動学的性質に強く関連していることが判明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強力なイオン化ガス放射があるにもかかわらず、星形成銀河でなぜLyman-alpha放射がしばしば検出されないのか。
• RQ2 中性ガスの運動学的性質が、Lyman-alpha光子の検出可能性にどのように影響を与えるか。
• RQ3 中性ガスのダスト含有量と密度が、静的状態と高速放出状態の両方において、Lyman-alphaの脱出にどの程度影響を与えるか。
• RQ4 中性ガスの高速放出が、金属量とLyman-alpha放射強度の間の観測された相関の欠如を説明できるか。
• RQ5 高赤方偏移における共動星形成率の tracer としてLyman-alpha輝度がどの程度信頼できるか。

主な発見

• 8個の銀河のうち4つで、ブルーシフトした吸収を伴うLyman-alpha放射が検出され、P Cygni型のプロファイルを示し、中性ガスの高速放出を示した。
• すべての4つの放射特徴を持つ銀河で、OIおよびS IIの吸収線がイオン化ガスに対してブルーシフトしており、最大200 km/sの速度で中性ガスが高速放出していることが確認された。
• 残りの4つの銀河では、イオン化ガスのシステム的赤方偏移に中心を置いた幅広いダムプド・Lyman-alpha吸収プロファイルが観測され、静的または低速度の中性ガスを示した。
• 中性ガスの速度構造が、ダストや密度の影響を上回り、Lyman-alphaの検出可能性を決定づける主な要因であることが判明した。
• 高速放出ガスにおける共鳴散乱により、散乱が発光ラインの赤方偏移側にシフトし、再吸収が低減されるため、Lyman-alpha光子が脱出可能になる。
• これらの結果は、高赤方偏移における星形成率をLyman-alphaサーベイから導く試みが、ガスの運動学的性質に強く依存するため、極めて疑わしいものであると示唆している。