[論文レビュー] Physics of ULIRGs with MUSE and ALMA: The PUMA project

Michele Perna, Santiago Arribas+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 135被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、PUMAプロジェクトの最初の結果を提示する。PUMAプロジェクトは、MUSE連続体分光法とALMA干渉計を用いた25個の近距離ULIRGの多波長調査である。その結果、[O III]およびNa IDの広帯域で非対称な発光線—高速の吹き出しを示す—がULIRG核に広く存在することが判明した。85%のケースで、その速度分散は星族の速度分散を0.15デシベル以上上回っており、合体段階におけるAGNおよび星形成駆動の風が広く存在していることを強く示唆している。

ABSTRACT

Context. Ultraluminous infrared galaxies (ULIRGs) are characterised by extreme starburst (SB) and active galactic nucleus (AGN) activity, and are therefore ideal laboratories for studying the outflow phenomena and their feedback effects. We have recently started a project called Physics of ULIRGs with MUSE and ALMA (PUMA), which is a survey of 25 nearby ( z < 0.165) ULIRGs observed with the integral field spectrograph MUSE and the interferometer ALMA. This sample includes systems with both AGN and SB nuclear activity in the pre- and post-coalescence phases of major mergers. Aims. The main goals of the project are (i) to study the prevalence of (ionised, neutral, and molecular) outflows as a function of the galaxy properties, (ii) to constrain the driving mechanisms of the outflows (e.g. distinguish between SB and AGN winds), and (iii) to identify and characterise feedback effects on the host galaxy. In this first paper, we present details on the sample selection, MUSE observations, and data reduction, and derive first high-level data products. Methods. MUSE data cubes were analysed to study the dynamical status of each of the 21 ULIRGs observed so far, taking the stellar kinematics and the morphological properties inferred from MUSE narrow-band images into account. We also located the ULIRG nuclei, taking advantage of near-infrared (HST) and millimeter (ALMA) data, and studied their optical spectra to infer (i) the ionisation state through standard optical line ratio diagnostics, and (ii) outflows in both atomic ionised ([O III], H α ) and neutral (Na ID) gas. Results. We show that the morphological and stellar kinematic classifications are consistent: post-coalescence systems are more likely associated with ordered motions, while interacting (binary) systems are dominated by non-ordered and streaming motions. We also find broad and asymmetric [O III] and Na ID profiles in almost all nuclear spectra, with line widths in the range [300 − 2000] km s −1 , possibly associated with AGN- and SB-driven winds. This result reinforces previous findings that indicated that outflows are ubiquitous during the pre- and post-coalescence phases of major mergers.

研究の動機と目的

• 銀河の性質に応じて、ULIRGにおけるイオン化ガス、中性ガスおよび分子ガスの吹き出しの広がりを調査すること。
• 主要合体系におけるAGN駆動と星形成駆動の吹き出しメカニズムを区別すること。
• ULIRG進化の前・合体後段階における、フィードバック効果がホスト銀河に与える影響を特徴づけること。
• MUSEとALMAのデータを用いて、高分解能・多相態のISM力学の全体像を構築すること。
• BPT診断法と高分解能スペクトルデータを用いて、ULIRG核におけるイオン化機構の分類を改善すること。

提案手法

• 赤方偏移 z < 0.165 の21個のULIRGに対して、深さのあるMUSE連続体分光法を実施し、空間的に分解された星族およびイオン化ガスの運動学的性質を導出。
• pPXF星族合成法を用いて、MUSEデータキューブから星族の速度分散と運動学的構造を抽出。
• MUSEの狭帯域画像を用いて、形態的および運動学的状態（例：秩序立てた回転対比して流れ込み運動）を分類。
• ALMAおよびHSTで特定された核31個のスペクトルを抽出し、BPT診断法と線幅の非対称性を用いてイオン化状態を研究。
• [O III]およびNa ID線の速度分散を測定し、星族速度分散（σ*）と比較して非重力的運動を特定。
• MUSEとALMAのデータを統合し、吹き出しをクロスアイデンティフィケーションし、合体シーケンスの異なる段階における物理的駆動要因を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ULIRGの運動学的性質（例：秩序立てた運動対比して流れ込み運動）は、合体段階（前または合体後）とどのように相関しているか？
• RQ2 イオン化ガスおよび中性ガスの吹き出しはULIRG核にどの程度存在するか？そのうち何割がAGNと星形成によって駆動されているか？
• RQ3 発光線の速度分散と星族速度分散との関係は何か？これはISM力学に何を示唆しているか？
• RQ4 高分解能MUSEスペクトルに適用されたBPT診断図は、長スリットデータに基づく文献分類と比べてどのように異なるか？
• RQ5 吹き出しは、主な合体段階におけるULIRGの星形成とフィードバックを規制する役割を果たすか？

主な発見

• 合体後ULIRGは秩序立てたディスク型の星族運動学的性質を示すが、相互作用している（二重）系では非秩序的かつ流れ込み運動を示す。
• 11個の合体系のうち8つが秩序立てた回転パターンを示すが、10個の相互作用系のうち7つは非秩序的運動を示す。
• 31個の核スペクトルすべてで、非対称的かつ広帯域の[O III]およびNa ID発光線が観測され、速度幅は300–2000 km/sの範囲にわたる。
• 核スペクトルの85%で、イオン化ガスおよび中性ガスの速度分散が星族速度分散（σ*）を0.15デシベル以上上回っており、強い非重力的運動を示唆している。
• BPT診断法では、11個の核が星形成主導、9個がAGN主導、6個がLINER様と分類された。5個の核では診断結果が一貫せず、混合イオン化機構を示唆している。
• 高AGN割合系（αAGN > 0.5）では中性ガスの吹き出し（Na ID）がまれで、そのうち唯一の核での検出にとどまり、AGN主導環境における観測的課題を強調している。