[論文レビュー] The cold interstellar medium of galaxies in the Local Universe

A. Saintonge, Barbara Catinella|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2022

Pharmacological Effects and Assays被引用数 9

ひとこと要約

このレビューは、近傍銀河における寒冷星間物質（ISM）の観測的スケーリング関係を統合し、星形成率が全寒冷ガス質量、分子ガス分率、ガス消費 timescale によって支配されることを示している。主な結果は、星形成メインシーケンスおよび質量-金属量関係が、ガスの可用性と効率に根本的に規定されており、銀河質量や環境によって系統的な変化を示していることである。

ABSTRACT

The cold interstellar medium (ISM) plays a central role in the galaxy evolution process. It is the reservoir that fuels galaxy growth via star formation, the repository of material formed by these stars, and a sensitive tracer of internal and external processes that affect entire galaxies. Consequently, significant efforts have gone into systematic surveys of the cold ISM of the galaxies in the local Universe. This review discusses the resulting network of scaling relations connecting the atomic and molecular gas masses of galaxies with their other global properties (stellar masses, morphologies, metallicities, star formation activity...), and their implications for our understanding of galaxy evolution. Key take-home messages are as follows: (1) From a gas perspective, there are three main factors that determine the star formation rate of a galaxy: the total mass of its cold ISM, how much of that gas is molecular, and the rate at which any molecular gas is converted into stars. All three of these factors vary systematically across the local galaxy population. (2) The shape and scatter of both the star formation main sequence and the mass-metallicity relation are deeply linked to the availability of atomic and molecular gas. (3) Future progress will come from expanding our exploration of scaling relations into new parameter space (in particular the regime of dwarf galaxies), better connecting the cold ISM of large samples of galaxies with the environment that feeds them (the circumgalactic medium in particular), and understanding the impact of these large scales on the efficiency of the star formation process on molecular cloud scales.

研究の動機と目的

• 近傍銀河における寒冷ISMの現在の理解を、体系的な観測調査を通じて統合すること。
• 寒冷ガス質量、星形成、および全銀河的性質を結ぶ主要なスケーリング関係を特定すること。
• ガス貯留および変換効率が星形成メインシーケンスおよび質量-金属量関係をどのように規定するかを明確にすること。
• 低質量銀河における寒冷ISMの理解の空白と、その circumgalactic medium (CGM) との関連を特定すること。

提案手法

• 原子ガスと分子ガスをそれぞれトレースするため、H i 21-cm放射およびCO線放射を測定した銀河外調査の分析。
• 全ガス質量の推定およびガスプロファイルの検証のため、ダストに基づく tracer の使用。
• 寒冷ガス質量分率、恒星質量、星形成率、金属量の間の全銀河的スケーリング関係の構築。
• H i および H₂ のガス消費 timescale (tdep) の定量化と、銀河質量および星形成効率への依存性の評価。
• 星形成メインシーケンスおよび質量-金属量関係の統計的モデリングを行い、それらをガス含量および変換効率に結びつける。
• 宇宙スケールの物質供給から分子雲スケールの星形成に至る、多スケールプロセスの統合的説明を通じて、観測された銀河進化を説明すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 近傍銀河集団において、原子ガスおよび分子ガス質量は恒星質量、形態、金属量とどのようにスケーリングするか？
• RQ2 寒冷ガス貯留および消費 timescale の観点から、星形成メインシーケンスの形状と散乱はどのように決定されるか？
• RQ3 メインシーケンス上または下にある銀河は、なぜ異なるガス含量および効率プロファイルを示すのか？
• RQ4 寒冷ISMは、銀河進化を規定する上で、circumgalactic medium (CGM) および intergalactic medium (IGM) とどのように関連しているか？
• RQ5 高密度対低密度分子ガス比は、ガス消費 timescale および星形成効率をどのように調節するか？

主な発見

• 寒冷ISMは、近傍宇宙における全バリオンの約1.3%を占め、全恒星質量密度の約35%を占める。
• 原子ガスおよび分子ガス分率は、恒星質量が約10¹⁰.³ M☉を超えると急激に低下し、低質量銀河は広がった、分離した原子ガス貯留を有する。
• H i 消費 timescale の平均は約3 Gyrであるが、銀河間で大きくばらつきを示す。一方、H₂ 消費 timescale は、星形成効率が低下するに従い系統的に増加する。
• 星形成メインシーケンスの形状は、主に M(H₂)–M∗ 関係によって決定され、二次的には質量とともにゆっくりと増加する tdep(H₂) に起因する。
• メインシーケンス上の銀河は、分子ガス分率が高く、消費 timescale が短いことから、ガス変換効率が向上していると示唆される。
• メインシーケンス下の銀河では、ガス貯留が減少しており、長時間の消費 timescale は、高密度対低密度分子ガス比の変化に起因する可能性が高い。