[論文レビュー] PHANGS-MUSE: The H II region luminosity function of local star-forming galaxies

Francesco Santoro, Kathryn Kreckel+31 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 126被引用数 69

ひとこと要約

本研究では、PHANGS-MUSE調査から得られた23,000個の解像されたH II領域を用いて、19個の近傍渦巻銀河を対象に、67 pcの空間分解能で初めての大規模な銀河間H II領域Hα発光関数（LF）を提示する。LFの傾きα = −1.73 ± 0.15は、星形成率表面密度（ΣSFR）の増加に伴い減少し、これは高ガス密度における若年星の凝集化が原因である。銀河の渦巻き腕と腕間領域の差異は、渦巻き構造が分子雲の質量対比を強化していることを示唆する。また、イオン化パラメータの違いは、H II領域の年齢に起因する進化を示している。

ABSTRACT

We use an unprecedented sample of about 23,000 HII regions detected at an average physical resolution of 67pc in the PHANGS-MUSE sample to study the extragalactic HII region Ha luminosity function (LF). Our observations probe the star-forming disk of 19 nearby spiral galaxies with low inclination and located close to the star formation main sequence at z=0. The mean LF slope $\alpha$ in our sample is =1.73 with a $\sigma$ of 0.15. We find that $\alpha$ decreases with the galaxy's star formation rate surface density and argue that this is driven by an enhanced clustering of young stars at high gas surface densities. Looking at the HII regions within single galaxies we find that no significant variations occur between the LF of the inner and outer part of the star-forming disk, whereas the LF in the spiral arm areas is shallower than in the inter-arm areas for six out of the 13 galaxies with clearly visible spiral arms. We attribute these variations to the spiral arms increasing the molecular clouds arm--inter-arm mass contrast and find suggestive evidence that they are more evident for galaxies with stronger spiral arms. Furthermore, we find systematic variations in $\alpha$ between samples of HII regions with high and low ionization parameter q and argue that they are driven by the aging of HII regions.

研究の動機と目的

• これまでにない統計的パワーと空間分解能を用いて、銀河間H II領域Hα発光関数（LF）を測定すること。
• 全銀河の性質（例：ΣSFR、金属量、形態）と局所的環境（渦巻き腕対腕間）がLFの傾きαに与える影響を調査すること。
• LFの傾きの変動が、星形成クラスタリング、フィードバック、H II領域の老化といった物理的プロセスによって引き起こされるかどうかを特定すること。
• ALMAおよびHSTデータとの比較を通じて、H II領域LFを初期質量関数（IMF）と星形成効率に結びつけること。

提案手法

• MUSEの積分場分光法を用いて、19個の近傍渦巻銀河における約67 pcの分解能で23,000個のH II領域を検出・特徴付けた。
• ヒストグラムに起因するバイアスを回避するため、ビニングを行わない最大尤度推定法（MLE）を用いてLFにフィットした。
• 年齢依存の進化効果を調査するために、イオン化パラメータqでH II領域を分類した。
• 銀河の領域（内側/外側ディスク、渦巻き腕対腕間）におけるLFの傾きを比較し、ΣSFR、金属量、形態と相関をとった。
• LF測定の妥当性を検証するため、模擬H II領域カタログを用いて完全性とクラスタリング効果を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星形成率表面密度（ΣSFR）の変化に伴い、H II領域Hα発光関数の傾きαはどのように変化するか？
• RQ2 可視の渦巻き構造を有する銀河において、渦巻き腕と腕間領域の間でLFの傾きに差異が生じる原因は何か？
• RQ3 イオン化パラメータqの差異は、H II領域の年齢および進化段階とどのように関係するか？
• RQ4 ガス相金属量とダスト含量は、H II領域LFにどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ5 LFの傾きの変動は、星形成クラスタリングやフィードバック時間スケールと関連しているか？

主な発見

• 平均的なH II領域Hα発光関数の傾きはα = −1.73 ± 0.15であり、類似した銀河の先行研究と整合的である。
• ΣSFRが増加するに従い、LFの傾きαは減少（平坦化）する。これは、高星形成率表面密度領域に明るいH II領域の相対的数が多いことを示している。
• この傾向は、高ガス表面密度における若年星の凝集化が原因であるとされ、星形成効率の向上という理論的予測を支持する。
• 内側ディスクと外側ディスク領域の間でLFの傾きに顕著な差異は認められず、径方向勾配にわたる星形成物理学が一様であると示唆している。
• 渦巻き腕を有する銀河では、腕領域のLFは腕間領域よりも平坦である。これは、渦巻き密度波によって分子雲の質量対比が強化されたことが原因であるとされる。
• イオン化パラメータqが大きいH II領域は、qが小さい領域よりもLFが平坦である。これは、qが大きい領域が若く、進化が遅れていることを示しており、年齢がイオン化パラメータの変動の主因であると示している。