[論文レビュー] PAHs as a tracer of star formation?

E. Peeters, H. W. W. Spoon+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2004

Spectroscopy and Laser Applications被引用数 201

ひとこと要約

本研究では、銀河系および銀河外天体のミッドインフラレッド（MIR）およびファーアイナフラレッド（FIR）分光診断法を用いて、多環芳香族炭化水素（PAH）の放射特徴が星形成をどのように示すかを評価する。PAHはO型星よりもB型星をよりよくトレースする。また、通常の星形成銀河および星形成暴走銀河ではPAH放射は露出された光分解領域（PDR）に類似しているが、ULIRGでは多様でしばしば遮蔽された分光的特徴を示し、顕著なFIR放射を示すことが判明した。

ABSTRACT

IR emission bands at 3.3, 6.2, 7.7, 8.6 and 11.3 um are generally attributed to IR fluorescence from (mainly) FUV pumped PAHs. As such, they trace the FUV stellar flux and are a measure of star formation. We examined the IR spectral characteristics of Galactic star forming regions, normal and starburst galaxies, AGNs and ULIRGs. The goal is to analyze if PAH bands are a good qualitative and/or quantitative tracer of star formation and hence the application of PAH bands as a diagnostic in order to identify the dominant processes contributing to the IR emission from Seyfert's and ULIRGs. We develop a MIR/FIR diagnostic and compare it to known diagnostics, with these also applied to the Galactic sample. This diagnostic is based on the FIR normalized 6.2 um PAH flux and the FIR normalized 6.2 um continuum flux. The Galactic sources form a sequence spanning a range of 3 orders of magnitude, from embedded compact HII regions to exposed PDRs and the (D)ISM. The variation in the 6.2 um PAH/continuum ratio is relative small. Normal and starburst galaxies ressemble exposed PDRs. While Seyfert-2's coincide with the starburst trend, Seyfert-1's are displaced by at least a factor 10 in 6.2 um continuum flux. ULIRGs show a diverse spectral appearance (AGN hot dust continuum, starburst-like or strong dust obscuration in the nucleus). ULIRGs also seems to have more prominent FIR emission than either starburst galaxies or AGNs. We discuss the observed variation in the Galactic sample in view of the evolutionary state and the PAH/dust abundance and the use of PAHs as quantitative tracers of star formation activity. We find that PAHs may be better suited as a tracer of B stars, which dominate the Galactic stellar energy budget, than as a tracer of massive star formation (O stars).

研究の動機と目的

• PAH放射特徴が多様な天文学的環境において星形成活動を定量的にトレースできるかどうかを評価すること。
• AGN、星形成暴走、PDR支配の源を区別するため、6.2 µm PAHと連続スペクトルのフラックス比に基づく新しいMIR/FIR診断図を構築・検証すること。
• 同じ銀河系および銀河外サンプルを用いて、新しいMIR/FIR図と既存の手法（Genzel et al. 1998; Laurent et al. 2000）の診断能力を比較すること。
• さまざまなH II領域タイプおよび恒星間環境におけるPAH放射の観測された変動の背後にある進化的および組成的要因を調査すること。
• 特にULIRGおよびAGN支配の系において、PAHが星形成の定量的トレーサーとして適切かどうかを評価すること。

提案手法

• FIR正規化された6.2 µm PAHフラックスとFIR正規化された6.2 µm連続スペクトルフラックス比に基づき、新しいMIR/FIR診断図を構築した。
• コンact H II領域、PDR、拡散ISMの視線を含む、21個の銀河系の大質量星形成領域のMIRスペクトルを分析した。
• 同じ銀河系および銀河外サンプルを用いて、新しいMIR/FIR図とGenzel et al. (1998)およびLaurent et al. (2000)の図の診断性能を比較した。
• PAHランク分布およびスペクトルエネルギー分布を用いて、通常銀河／星形成暴走銀河、セイファート銀河、QSO、ULIRGを比較した。
• 銀河系サンプルにおける観測されたスペクトル変動の背後にある進化状態およびPAH/ダスト豊度の役割を評価した。
• PDRの微細構造ライン（例：[O I] 63 µm、[C II] 158 µm）を補足的診断として用い、アープ220のような遮蔽された系におけるPDR寄与度を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PAH放射特徴は、銀河における星形成活動を信頼できる定量的トレーサーとして機能できるか？
• RQ2 銀河系のH II領域のMIR/FIR分光的特徴は、銀河外の星形成暴走銀河およびAGNとどのように比較できるか？
• RQ3 PAH特徴は、銀河系の星形成エネルギー予算において、B型星とO型星のどちらをよりよくトレースするか？
• RQ4 なぜULIRGは多様な分光的外観を示すのか？これはその支配的エネルギー源について何を示唆するか？
• RQ5 新しいMIR/FIR診断図は、既存の診断ツールと比較して、AGN、星形成暴走、PDR支配の放射を区別する上でどれほど有効か？

主な発見

• 銀河系H II領域における6.2 µm PAH対連続スペクトルフラックス比は、FIR正規化フラックスに3桁の範囲があるにもかかわらず、3倍未満の変動にとどまる。これは、内在的な変動が小さいことを示している。
• セイファート1型銀河は、セイファート2型銀河と比較して、6.2 µm連続スペクトルフラックスで少なくとも10倍のずれを示しており、統一モデルと方向依存の遮蔽と整合的である。
• 通常銀河および星形成暴走銀河は、特に6.2 µm PAH対連続スペクトル比において、露出されたPDRと類似したMIR分光的特徴を示す。
• ULIRGは多様な分光的形態を示す：一部はAGNに類似した高温ダスト連続スペクトルを示し、他の一部は星形成暴走に類似している。多くの場合、核のダスト遮蔽が顕著である。
• ULIRGは、星形成暴走銀河やAGNよりも顕著なFIR放射を示しており、冷却されたダストや拡張した放射からの寄与が顕著である可能性を示唆している。
• PAHはO型星支配の星形成を直接トレースすると仮定するのとは対照的に、銀河系の星形成エネルギー予算の主役を占めるB型星を、よりよいトレーサーとして示している。