[論文レビュー] Simulator of Galaxy Millimeter/Submillimeter Emission (SIGAME): The [CII]-SFR Relationship of Massive z=2 Main Sequence Galaxies

Karen P. Olsen, T. R. Greve+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2015

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、サブグリッド物理を用いて多相性星間媒体（ISM）を解像する宇宙論的シミュレーションフレームワークSÍGAMEを提示する。質量的z=2メインシーケンス銀河における[C II] 157.7 μm放射をモデル化し、[C II]放射は高星形成率（SFR > 20 M⊙ yr⁻¹）では主に分子ガスに由来し、低SFRでは原子ガス/PDRガスに由来することを示した。また、シミュレートされた[C II]-SFR関係は赤方偏移にわたって観測された関係と一致した。

ABSTRACT

We present SÍGAME simulations of the [CII]157.7$μ$ fine structure line emission from cosmological smoothed particle hydrodynamics (SPH) simulations of seven main sequence galaxies at z=2. Using sub-grid physics prescriptions the gas in our simulations is modeled as a multi-phased interstellar medium (ISM) comprised of molecular gas residing in giant molecular clouds, an atomic gas phase associated with photo-dissociation regions (PDRs) at the cloud surfaces, and a diffuse, ionized gas phase. Adopting logotropic cloud density profiles and accounting for heating by the local FUV radiation field and cosmic rays by scaling both with local star formation rate (SFR) volume density, we calculate the [CII] emission using a photon escape probability formalism. The [CII] emission peaks in the central $\lesssim$1 kpc of our galaxies as do the SFR radial profiles, with most [CII] ($\gtrsim$70%) originating in the molecular gas phase, whereas further out ($\gtrsim$2 kpc), the atomic/PDR gas dominates ($\gtrsim$90%) the [CII] emission, no longer tracing on-going star formation. Throughout, the ionized gas contribution is negligible ($\lesssim$3%). The [CII] luminosity vs. SFR ([CII]-SFR) relationship, integrated as well as spatially resolved (on scales of 1 kpc), delineated by our simulated galaxies is in good agreement with the corresponding relations observed locally and at high redshifts. In our simulations, the molecular gas dominates the [CII] budget at SFR$\gtrsim$20 M$_{\odot}$yr$^{-1}$ (SFR density $\gtrsim$0.5 M$_{\odot}$yr$^{-1}$kpc$^{-2}$), while atomic/PDR gas takes over at lower SFRs, suggesting a picture in which [CII] predominantly traces the molecular gas in high-density/pressure regions where star formation is on-going, and otherwise reveals the atomic/PDR gas phase.

研究の動機と目的

• 質量的で高赤方偏移のメインシーケンス銀河における[C II]放射の起源を理解すること。
• 星形成率（SFR）の変動に応じて、分子ガス、原子ガス/PDR、イオン化ガスのどのISM相が[C II]放射を支配しているかを特定すること。
• 観測された[C II]-SFR関係が物理的に妥当なISMモデルによって再現可能かどうかを検証すること。
• シミュレートされた高赤方偏移銀河において1 kpcスケールで空間的に解像された[C II]-SFR関係を解明すること。
• 多相性ISM構造と局所的加熱（FUV、宇宙線）が[C II]発光関数に与える寄与を評価すること。

提案手法

• サブグリッドモデルを用いて多相性ISMを扱う smoothed particle hydrodynamics (SPH) を用いて、7つのz=2メインシーケンス銀河をシミュレートした。
• ISMを3相にモデル化した：巨大クラウド内の分子ガス、クラウド表面のPDRにおける原子ガス、および拡散的イオン化ガス。
• 対数的圧力プロファイルを用いたクラウド密度分布を採用し、FUVおよび宇宙線からの加熱を局所的なSFR体積密度に比例させる。
• 放射移動効果を考慮するため、光子の脱出確率形式を用いて[C II]放射を計算した。
• 1 kpcスケールで[C II]放射を解像し、表面密度関係（Σ[CII]-ΣSFR）を算出した。
• シミュレーションの統合的および解像された[C II]-SFR関係を、ローカルおよび高赤方偏移の観測結果と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量的z=2銀河において、[C II]放射の何パーセントが分子ガスに由来し、何パーセントがPDR/原子ガスに由来するか？
• RQ2 高赤方偏移銀河において、[C II]-SFR関係はSFR表面密度にどのように依存するか？
• RQ3 これらのシミュレートされた銀河において、イオン化ガスは[C II]放射にどの程度寄与しているか？
• RQ4 シミュレートされた[C II]-SFR関係は、低赤方偏移および高赤方偏移の両方で観測された関係と一致するか？
• RQ5 SFRが低下するに従って、[C II]に寄与する支配的ISM相はどのように変化するか？

主な発見

• 中心1 kpc内では、SFRが最も高い領域で[C II]放射の70%以上が分子ガス相に由来している。
• 2 kpcを超える半径では、原子ガス/PDRガス相が[C II]放射を支配し、全発光関数の90%以上を占める。
• イオン化ガスは、ISM内で質量的に最も支配的であるが、全[C II]発光関数に3%未満の寄与にとどまる。
• シミュレートされた統合[C II]-SFR関係は、低赤方偏移および高赤方偏移の両方で観測された関係と勾配および正規化の両面で一致した。
• 解像されたΣ[CII]-ΣSFR関係は、ΣSFRが10⁻⁵から10 M⊙ yr⁻¹ kpc⁻²の範囲で6桁のスケールをカバーし、中程度のSFR密度（0.001–1 M⊙ yr⁻¹ kpc⁻²）では良好な一致を示した。
• 高SFR領域では、[C II]発光関数が分子ガス質量に最も強く依存しており、これは[C II]が高密度・高圧力領域における星形成の燃料を主に示していることを示唆している。