[論文レビュー] Spatial disconnection between stellar and dust emissions: the test of the Antennae Galaxies (Arp 244)

Lise-Marie Seillé, V. Buat+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 76被引用数 14

ひとこと要約

本研究は、星形成とダスト放射が空間的に分離している銀河におけるエネルギー収支SEDモデリングの信頼性を検証するために、アントラス銀河（Arp 244）の58 kpcスケール領域を分析した。CIGALEを用いてUV〜遠赤外SEDにフィットさせた結果、局所的推定値を合算することで一貫した全銀河の星形成率と星質量が得られ、ダスト減光量および表面密度が増加するにつれて減光曲線が平坦化される傾向が明らかになった。これは流体力学的シミュレーションと整合的であり、高赤方偏移銀河の正確なモデリングには柔軟な減光則が不可欠であることを示唆している。

ABSTRACT

The detection with of the Atacama Large Millimeter Array (ALMA) of dust-rich high redshift galaxies whose cold dust emission is spatially disconnected from the ultraviolet emission bears a challenge for modelling their spectral energy distributions (SED) with codes based on an energy budget between the stellar and dust components. We test the validity of energy balance modelling on a nearby resolved galaxy with vastly different ultraviolet and infrared spatial distributions and infer what information can be reliably retrieved from the analysis of the full spectral energy distribution. We use 15 broadband images of the Antennae Galaxies ranging from far-ultraviolet to far-infrared and divide Arp 244 into 58 square ~1 kpc$^2$ regions. We fit the data with CIGALE to determine the star formation rate, stellar mass and dust attenuation of each region. We compare these quantities for the addition of the 58 regions to the ones obtained for Arp 244 as a whole and find that both estimates are consistent within one sigma. We present the spatial distribution of these physical parameters as well as the shape of the attenuation curve across the Antennae Galaxies . We also observe a flattening of the attenuation curves with increasing attenuation and dust surface density in agreement with the predictions of hydrodynamical simulations coupled with radiative transfer modelling.

研究の動機と目的

• 空間的に不均一なUVおよび赤外放射分布を示す銀河におけるエネルギー収支SEDモデリングの妥当性を評価すること。
• 星形成成分とダスト成分が空間的に分離している場合に、統合SEDから導かれる全銀河的物理パラメータが依然として正確に保たれるかどうかを調査すること。
• 合体銀河系の異なる領域における減光曲線の形状がどのように変化するかを調査し、理論的モデルと比較すること。
• 高ダスト密度環境、たとえば高赤方偏移のダストに満ちた銀河に見られるような複雑な環境において、単一の減光則がSEDフィッティングに十分であるかどうかを特定すること。
• Lo Faroら（2017）が提示した減光レシピが、極端なダスト特性を示す領域におけるSED再現性を評価すること。

提案手法

• 遠紫外から遠赤外まで15バンドの広帯域画像を、1516 Å〜160 µmの波長範囲でアントラス銀河（Arp 244）から取得した。
• 全画像を10.65″の共通解像度および2.85″のピクセルスケールに再サンプリングし、2次元ガウス畳み込みと再投影を用いてPACS 160 µm画像に合わせた。
• アンタレス銀河を58の正方形領域（各約1.3 kpc²）に分割し、全バンドでS/N > 3を満たす領域を選び、局所的SED解析を可能にした。
• CIGALEを用いて各領域および全銀河のSEDにフィットさせ、星形成歴（SFH）、ダスト減光、再放射の入力パラメータを同一にすることで一貫性を確保した。
• 星形成率、星質量、Vバンド減光量、減光曲線のべき乗法則の勾配（nISM）、PAH不純度といった物理的パラメータを抽出した。
• 58領域の推定値の合算による全銀河推定値と、全銀河SEDフィット結果を比較し、解像度の低い空間構造に起因する系誤差の有無を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星形成とダスト放射が空間的に分離している場合に、エネルギー収支を保持するSEDフィッティングが、一貫した全銀河的物理パラメータをもたらすか？
• RQ2 アントラス銀河（Arp 244）の異なる領域における減光曲線の形状は、ダスト表面密度および光学的厚さとどのように関係しているか？
• RQ3 アントラス銀河で観測された減光曲線の傾向は、流体力学的シミュレーションおよび放射場輸送モデルの予測とどの程度一致するか？
• RQ4 Lo Faro ら（2017）の減光レシピは、オーバーラップ領域のような高ダスト、合体誘発領域のSEDフィッティングに適しているか？
• RQ5 理論的モデルが予測するように、ダスト表面密度や減光量が増加するにつれて、有効な減光曲線が平坦化するか？

主な発見

• 58領域の局所的推定値を合算して得られた全銀河の星形成率および星質量は、アントラス銀河（Arp 244）の全銀河SEDフィット結果と1σの範囲内で一致しており、空間的分離があっても全銀河SEDフィッティングの有効性が裏付けられた。
• オーバーラップ領域では高い星形成率（SFR）、高いダスト減光（A_V^ISM ≈ 1.5 mag）、および浅い減光曲線（nISM ≈ -0.5）を示しており、合体誘発的星形成爆発状態と整合的である。
• 光学的ダスト減光量（A_V^ISM）が増加するにつれて、一般的に減光曲線が平坦化（nISMの増加）する傾向が観測され、A_V^ISM > 1.0 magでnISMが-0.7未満になることが明らかになった。
• ダスト表面密度が6 M⊙ kpc⁻²を超える領域では、Calzetti ら（2000）の標準的レシピよりも顕著に平坦な減光曲線を示しており、密度依存の柔軟な減光則の必要性が示された。
• 観測されたnISMとダスト表面密度（Σdust）の相関関係は、流体力学的シミュレーションに基づくTrayford ら（2020）の予測と一致しており、ダストの幾何的配置が有効減光曲線に影響を与えることが確認された。
• Lo Faro ら（2017）の減光レシピはオーバーラップ領域のSEDに最も良好にフィットし、その導出されたnISM ≈ -0.5は、z ≈ 3の主要合体銀河に対してRoebuck ら（2019）が予測するモデルとよく一致していた。