[論文レビュー] Modelling the spectral energy distribution of ULIRGs II: The energetic environment and the dense interstellar medium

O. Vega, M. S. Clemens+5 more|ArXiv.org|Dec 7, 2007

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 146被引用数 52

ひとこと要約

本研究では、近赤外から電波に至る波長域における30個のULIRGのスペクトルエネルギー分布（SED）を、星形成暴走とAGNを含む合成モデルでモデル化し、全システムで星形成暴走がエネルギー収支を支配していることを明らかにした。AGNが赤外線発光の10％以上を占めるのはサンプルの30％にとどまり、星形成暴走が進行するに従い星形成効率は約1桁低下する。これはAGN活動が短命であり、特定の星形成暴走段階と強く関連していないことを示唆している。

ABSTRACT

We fit the near-infrared to radio spectral energy distributions of 30 luminous and ultra-luminous infrared galaxies with pure starburst models or models that include both starburst and AGN components to determine important physical parameters for this population of objects. In particular we constrain the optical depth towards the luminosity source, the star formation rate, the star formation efficiency and the AGN fraction. We find that although about half of our sample have best-fit models that include an AGN component, only 30% have an AGN which accounts for more than 10% of the infrared luminosity, whereas all have an energetically dominant starburst. Our derived AGN fractions are generally in good agreement other measurements based in the mid-infrared line ratios measured by Spitzer IRS, but lower than those derived from PAH equivalent widths or the mid-infrared spectral slope. Our models determine the mass of dense molecular gas via the extinction required to reproduce the SED. Assuming that this mass is that traced by HCN, we reproduce the observed linear relation between HCN and infrared luminosities found by Gao & Solomon. We also find that the star formation efficiency, defined as the current star formation rate per unit of dense molecular gas mass, is enhanced in the ULIRGs phase. If the evolution of ULIRGs includes a phase in which an AGN contributes an important fraction to the infrared luminosity, this phase should last an order of magnitude less time than the starburst phase. Because the mass of dense molecular gas which we derive is consistent with observations of the HCN molecule,it should be possible to estimate the mass of dense, star-forming molecular gas in such objects when molecular line data are not available.

研究の動機と目的

• SEDフィッティングを用いてULIRGにおける星形成暴走とAGNの赤外線発光への寄与割合を特定すること。
• 光学厚さ、星形成率、星形成効率、高密度分子ガス質量といった重要な物理的パラメータを制約すること。
• 中赤外線診断（例：PAH特徴、スペクトル勾配）がSEDモデリングと比較してAGN割合をどの程度正確に推定できるかを評価すること。
• 導出された高密度分子ガス質量が、HCNに基づく観測結果およびGao & Solomon (2004a)の相関と整合的であるかを検証すること。
• AGN活動が星形成暴走の特定の段階と時間的に関連しているかどうかを調査すること。

提案手法

• 30個のULIRGの近赤外〜電波域SEDを、純粋な星形成暴走モデルと星形成暴走＋AGN成分を含むハイブリッドモデルでフィットする。
• ダスト吸収および再放射モデルを用いて光学厚さを推定し、赤外線SEDの形状から高密度分子ガス質量を推定する。
• ダスト質量から分子ガス質量への変換にダスト対ガス質量比を適用し、HCNが高密度ガスを示すものと仮定する。
• 導出されたAGN割合を、独立した診断指標（中赤外線線幅比：Ne[V]/Ne[II]、O[IV]/Ne[II]、PAH等価幅、スペクトル勾配）と比較する。
• 星形成効率（SFE）を、現在の星形成率と高密度分子ガス質量の比として定義し、星形成暴走の経過に伴う時間的変化を追跡する。
• AGN寄与分を補正した赤外線発光を用いて、Gao & Solomon (2004a)が示したHCN発光量相関と整合的かどうかをテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 8〜1000 µm波長域で、何パーセントのULIRGがAGNによって赤外線発光の10％以上を供給しているか？
• RQ2 ULIRGにおいて、AGN活動と星形成暴走の特定の段階との間に時間的相関があるか？
• RQ3 SEDから導出されたAGN割合は、PAH特徴や中赤外線スペクトル勾配から推定される値とどの程度一致するか？
• RQ4 星形成暴走の年齢に伴い、ULIRGにおける星形成効率はどの程度変化するか？
• RQ5 SEDモデリングから導出された高密度分子ガス質量は、Gao & Solomon (2004a)が報告したHCN発光量相関を再現できるか？

主な発見

• 8〜1000 µm波長域でAGNが赤外線発光の10％以上を占めるULIRGはわずか30％（30個中9個）であり、全システムで星形成が支配的である。
• 導出されたAGN割合は中赤外線線幅比（Ne[V]/Ne[II]、O[IV]/Ne[II]）と良好に一致するが、PAH等価幅や中赤外線スペクトル勾配から推定される値とは顕著に低い。
• 星形成暴走が初期段階から発達段階に移行するに従い、星形成効率（SFE）は約1桁低下し、単位高密度分子ガス質量あたりの星形成率が時間とともに減少していることが示唆される。
• SEDモデリングから導出されたHCNフラックスと高密度分子ガス質量の変換係数は、Gao & Solomon (2004a)が仮定した値の2倍小さいが、彼ら自身の提案および他の研究と整合的である。
• AGN寄与分を補正した後でさえ、エネルギー的に顕著なAGNを持つ少数のULIRGもHCN発光量相関上に位置しており、この手法の信頼性が裏付けられた。
• データから、AGN活動がULIRGの進化に含まれる場合、エネルギー的寄与は数百万年間のみにとどまり、星形成暴走段階よりも約1桁短い期間にわたってのみ持続していると示唆される。