[論文レビュー] ISM Properties in Low-Metallicity Environments III. The Dust Spectral Energy Distributions of II Zw 40, He 2-10 and NGC 1140

F. Galliano, S. C. Madden+3 more|ArXiv.org|Jan 28, 2005

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 71被引用数 123

ひとこと要約

本研究は、サブミリメートル〜赤外域の多波長データを用いて、低金属量の矮星銀河II Zw 40、He 2-10、NGC 1140のダストスペクトルエネルギー分布（SED）をモデル化した。その結果、これらの銀河は非常に小さなダスト粒子（約3–4 nm）、多環芳香族炭化水素（PAHs）の著しい欠如、および非常に冷たいダスト（5–9 K）を有することが判明した。この冷たいダストは全ダスト質量の40–80 %を占め、観測されたミリ波長域のSED過剰を説明している。研究結果は、銀河系ダストの仮定を再考させるとともに、低金属量環境における衝撃波と過酷な放射場がダスト特性をどのように決定づけるかを強調している。

ABSTRACT

We present new 450 and 850 micron SCUBA data and 1.3 mm MAMBO data of the dwarf galaxies II Zw 40, He 2-10 and NGC 1140. Additional ISOCAM, IRAS as well as ground based data are used to construct the observed mid-infrared to millimeter spectral energy distribution of these galaxies. These spectral energy distributions are modeled in a self-consistent way, as was achieved with NGC 1569 (Galliano et al., 2003), synthesizing both the global stellar radiation field and the dust emission, with further constraints provided by the photoionisation of the gas. Our study shows that low-metallicity galaxies have very different dust properties compared to the Galaxy. Our main results are: (i) a paucity of PAHs which are likely destroyed by the hard penetrating radiation field, (ii) a very small (3-4 nm) average size of grains, consistent with the fragmentation and erosion of dust particles by the numerous shocks, (iii) a significant millimetre excess in the dust spectral energy distribution which can be explained by the presence of ubiquitous very cold dust (T=5-9 K) accounting for 40 to 80 % of the total dust mass, probably distributed in small clumps. We derive a range of gas-to-dust mass ratios between 300 and 2000, larger than the Galactic values and dust-to-metals ratios of 1/30 to 1/2. The modeled dust size distributions are used to synthesize an extinction curve for each galaxy. The UV slopes of the extinction curves resemble that observed in some regions in the Large Magellanic Cloud. The 2175 angstrom bumps of the modeled extinction curves are weaker than that of the Galaxy, except in the case of II Zw 40, where we are unable to accurately constrain the 2175 angstrom bump carrier.

研究の動機と目的

• 低金属量矮星銀河におけるダスト特性がミルキーウェイとどのように異なるかを理解すること。
• 中赤外域からサブミリメートル波長域にわたる全ダストSEDを、放射と吸収の両方を含めて一貫した方法でモデル化すること。
• 低金属量および強い放射場を特徴とする極限環境において、ダスト粒子のサイズ分布と放射特性を形づくる物理的メカニズムを調査すること。
• 非常に冷たいダスト（5–9 K）が全ダスト質量に占める寄与と、観測されたミリ波長域のSED過剰に与える影響を特定すること。
• ガス対ダスト質量比とダスト対金属量比を導出し、低金属量環境における銀河系ダストモデルの妥当性を評価すること。

提案手法

• SCUBA（450および850 µm）、MAMBO（1.3 mm）、ISOCAM、IRAS、および地上観測による多波長データを統合し、完全なダストSEDを構築した。
• 星の全体的放射場とダスト放射を同時に合成する一貫したモデリング手法を採用し、ガスの光電離を制約条件とした。
• Désertら（1990）のダストモデルを用い、可変な粒子サイズ分布と放射場パラメータを設定して観測SEDに適合させた。
• Agladzeら（1996）の測定に基づき、シリケート粒子の温度依存吸収効率 $ Q_{\text{abs}}(\lambda, a, T) $ を検討し、冷たい粒子における異常な発光性の有無をテストした。
• 放射場と粒子サイズパラメータを変化させながら観測SEDに適合させ、解のデゲネラシーを回避するように粒子サイズ分布を制約した。
• モデル化された粒子サイズ分布から消光カーブを導出し、その紫外域傾きと2175 Åのブーストを、銀河系およびLMCに類似した消光則と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低金属量矮星銀河におけるダスト粒子サイズ分布は、ミルキーウェイとどのように異なるか？
• RQ2 II Zw 40、He 2-10、NGC 1140で観測されたミリ波長域のSED過剰は、冷たいダスト成分によって説明可能か？
• RQ3 これらの銀河ではなぜPAH特徴が抑制されているのか、そして過酷な放射場が果たす役割は何か？
• RQ4 観測されたダスト特性は、銀河外SEDモデリングにおける銀河系ダスト特性の仮定をどの程度覆すか？
• RQ5 低金属量環境における導出されたガス対ダスト質量比とダスト対金属量比は、銀河系の値と比較してどのように異なるか？

主な発見

• これらの低金属量銀河におけるダスト粒子サイズ分布は、平均サイズが約3–4 nmの極めて小さな粒子が支配的であり、衝撃波による破壊と侵食と整合的である。
• 多環芳香族炭化水素（PAHs）は著しく枯渇しているか、存在しないと考えられ、過酷で浸透性の高い放射場による破壊が原因である可能性が高い。
• 顕著なミリ波長域のSED過剰は、5–9 Kの非常に冷たいダストの存在によって説明され、全ダスト質量の40–80 %を占め、小規模で冷たいクラスターに分布している可能性がある。
• ガス対ダスト質量比は300から2000の範囲にあり、銀河系の値よりも顕著に高く、ダスト生成または成長が非効率であることを示唆している。ダスト対金属量比は1/30から1/2の間であり、同様の傾向を示す。
• モデル化された消光カーブは、大型マゼラン雲に類似した紫外域傾きを示し、2175 Åのブーストは銀河系に比べて弱まっているが、II Zw 40ではブーストが制約不能であった。
• シリケート粒子の温度依存光学的性質（例：$ Q_{\text{abs}} $）はSED適合に顕著な影響を及ぼさず、サブミリ波長域の過剰を説明できないため、他の物理的メカニズムやダスト組成が関与している可能性を示唆している。