[論文レビュー] Subarcsecond international LOFAR radio images of Arp 220 at 150 MHz: A kpc-scale star forming disk surrounding nuclei with shocked outflows

E. Varenius, J. E. Conway+17 more|Data Archiving and Networked Services (DANS)|Jul 10, 2016

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 57被引用数 22

ひとこと要約

本研究では、150 MHzにおけるArp 220のサブアーセコンド解像度のLOFAR画像を提示し、kpcスケールの星形成ディスクと、核から最大330 pcまで延びる衝撃波による噴出流を明らかにした。データは、80%を超えるフラックスが、星形成に起因すると考えられる急勾配スペクトルの拡張放射から来ていることを示しており、低熱的分率（<1%）は強いダスト吸収を示唆している。また、q=2.36および星形成率220 M☉ yr⁻¹を示すことで、Arp 220がFIR/電波相関に従っていることを確認した。

ABSTRACT

We analyse new observations with the International Low Frequency Array (LOFAR) telescope, and archival data from the Multi-Element Radio Linked Interferometer Network (MERLIN) and the Karl G. Jansky Very Large Array (VLA). We model the spatially resolved radio spectrum of Arp 220 from 150 MHz to 33 GHz. We present an image of Arp 220 at 150 MHz with resolution $0.65'' imes0.35''$, sensitivity 0.15 mJy beam$^{-1}$, and integrated flux density $394\pm59$ mJy. More than 80% of the detected flux comes from extended ($6''\approx$2.2 kpc) steep spectrum ($α=-0.7$) emission, likely from star formation in the molecular disk surrounding the two nuclei. We find elongated features extending $0.3''$ (110 pc) and $0.9''$ (330 pc) from the eastern and western nucleus respectively, which we interpret as evidence for outflows. The extent of radio emission requires acceleration of cosmic rays far outside the nuclei. We find that a simple three component model can explain most of the observed radio spectrum of the galaxy. When accounting for absorption at 1.4 GHz, Arp 220 follows the FIR/radio correlation with $q=2.36$, and we estimate a star formation rate of 220 M$_\odot ext{yr}^{-1}$. We derive thermal fractions at 1 GHz of less than 1% for the nuclei, which indicates that a major part of the UV-photons are absorbed by dust. International LOFAR observations shows great promise to detect steep spectrum outflows and probe regions of thermal absorption. However, in LIRGs the emission detected at 150 MHz does not necessarily come from the main regions of star formation. This implies that high spatial resolution is crucial for accurate estimates of star formation rates for such galaxies at 150 MHz.

研究の動機と目的

• MHz周波数帯における高解像度でArp 220の電波構造を解明し、従来の観測では感度と解像度に欠けていた分野を補完すること。
• 150 MHzにおける電波放射の起源を特定し、熱的成分と非熱的成分を区別し、星形成と噴出流からの寄与を同定すること。
• Arp 220がFIR/電波相関に従っているかどうかを検証し、多周波数電波データを用いて星形成率を推定すること。
• 高輝度赤外銀河（LIRGs）における星形成率を導出する際、解像度のない150 MHz観測の信頼性を評価すること。

提案手法

• 国際LOFAR望遠鏡を用いて新しい150 MHz観測を実施し、解像度0.65'' × 0.35''、感度0.15 mJy beam⁻¹を達成した。
• 150 MHzから33 GHzにわたる、アーカイブ済みのVLAおよびMERLIN観測データとLOFARデータを統合し、全スペクトルエネルギー分布をモデル化した。
• 3成分モデルを構築：2つの熱的吸収を受ける核部ディスクと、周囲の均一で光学的薄いシンクロtron放射領域を組み合わせたモデルを、観測スペクトルに適合させた。
• 1.4 GHzにおける自由自由吸収を考慮し、スペクトルモデリングにおける光学厚さ効果を補正し、正確な熱的分率を導出した。
• FIR/電波相関（qパラメータ）を用いて、吸収および拡張放射を補正した上で、全星形成率を推定した。
• 宇宙線加速の役割を噴出流の観点から評価し、電波放射の空間的広がりとCO(1-0)およびX線スーパーワインド構造を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 150 MHzにおけるArp 220の電波放射の空間的構造とスペクトル形状は何か？ また、高周波数観測と比較するとどうなるか？
• RQ2 150 MHzにおける主要な電波放射は、核の近くに由来するのか、それとも拡張した分子ディスクに由来するのか？
• RQ3 1 GHzにおける電波放射の熱的分率は何か？ これは、イオン化光子がダストによってどれほど吸収されているかを示唆するか？
• RQ4 Arp 220はFIR/電波相関に従っているか？ また、吸収および拡張放射を補正した上で、星形成率はどの程度か？
• RQ5 核からの噴出流およびスーパーワインドの基部が、1 GHz未満の周波数帯で電波放射にどの程度寄与しているか？

主な発見

• 150 MHzにおけるLOFAR画像の解像度は0.65'' × 0.35''、感度は0.15 mJy beam⁻¹、統合フラックス密度は394 ± 59 mJyであった。
• 150 MHzのフラックスの80%以上が、2.2 kpc領域にわたる、急勾配スペクトル（α = -0.7）の拡張放射から来ており、これは分子ディスク内での星形成と整合的である。
• 核から東側と西側にそれぞれ0.3''（110 pc）および0.9''（330 pc）の長く伸びた電波特徴が観測され、衝撃波による噴出流の証拠と解釈された。
• 1 GHzにおける熱的分率は、東側核で0.8%、西側核で0.4%であり、イオン化光子のダストによる強い吸収を示唆している。
• Arp 220はq = 2.36でFIR/電波相関に従っており、吸収および拡張放射を補正した上で、全星形成率は220 M☉ yr⁻¹となった。
• 200 MHzから1 GHzの間で、モデルがフラックスを低く予測していることから、核部の解像度のない噴出流放射がこれらの周波数帯で顕著な寄与をしていることが示された。