[論文レビュー] The Cycle of Dust in the Milky Way: Clues from the High-Redshift and Local Universe

E. Dwek, F. Galliano+1 more|ArXiv.org|Feb 27, 2009

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、星の進化と銀河間媒体での処理を統合したダスト進化モデルが、銀河における多環芳香族炭化水素（PAH）の金属量依存的濃度と、高赤方偏移における巨大ダスト蓄積の起源を説明すると提案する。遅れて供給される炭素由来ダストがPAHと金属量の相関を説明する一方、高赤方偏移でのダスト質量は、1回の超新星爆発あたり0.1〜1 M☉のダストを生成する必要がある。これは観測された生成量を大幅に上回るが、分子雲内での付着が微粒子の成長を促進するなら妥当である。

ABSTRACT

Models for the evolution of dust are used to show that the observed trend of the abundance of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) with metallicity is the result of the delayed injection of carbon dust that formed in low mass asymptotic giant branch (AGB) stars into the interstellar medium. We also use our dust evolution models to examine the origin of dust at redshifts > 6, when only supernovae and their remnants could have been, respectively, their sources of production and destruction. Unless an average supernova (or its progenitor) produces between 0.1 and 1 Msun of dust, alternative sources will need to be invoked to account for the massive amount of dust observed at these redshifts.

研究の動機と目的

• 銀河における多環芳香族炭化水素（PAH）濃度と金属量の相関を説明すること。
• 特に赤方偏移z > 6の初期宇宙において、ダスト生成および破壊の主要メカニズムを特定すること。
• 超新星が高赤方偏移銀河（例：J1148+5251）で観測された巨大ダスト質量を説明できるかを検証すること。
• パopulation合成モデルにダスト進化を統合し、スペクトルエネルギー分布（SED）における星形成とダスト放射を自己整合的に結びつけること。

提案手法

• 主系列星の有限寿命を考慮し、赤色超巨星（AGB）星とII型超新星（SNe）が銀河間媒体（ISM）にダストを供給する進化モデルを構築する。
• 遅延供給を組み込んだ化学進化モデルを用い、低質量星からの炭素由来ダストと超新星からのケイ酸塩ダストの時間依存的放出を模擬する。
• 超新星爆発波による微粒子破壊と、分子雲内での付着による成長を組み込み、高赤方偏移解析の簡略化のため、即時再循環近似を用いる。
• 自由自由放射、中赤外（PAH）、遠赤外（ダスト加熱）放射を用いて、35個の近傍銀河のSEDフィッティングを行い、ダストおよびガス成分を制約する。
• IMF平均ダスト生成量$\widehat{Y}_d$を主要パラメータとして、超新星ダスト生成量とISM内微粒子破壊効率を変化させることで、高赤方偏移銀河のダスト対ガス質量比をモデル化する。
• 理論的ダスト質量分率を、赤方偏移z = 6.4の高赤方偏移クェーサーJ1148+5251の観測と比較し、ISM質量3×10¹⁰ M☉におけるZ_d = 0.0067を要件とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ多環芳香族炭化水素（PAH）の濃度が銀河において金属量と相関するのか？
• RQ2 宇宙時間にわたる銀河間ダスト予算において、AGB星と超新星の寄与比はどの程度か？
• RQ3 超新星のみが、赤方偏移z > 6の高赤方偏移銀河で観測された巨大ダスト質量を説明できるか？
• RQ4 ISM内での微粒子破壊は、高赤方偏移ダスト貯留を説明するための超新星あたりの必要ダスト生成量にどのように影響するか？
• RQ5 難揮発元素が既存の微粒子に付着することで、分子雲内でのダスト質量成長に果たす役割は何か？

主な発見

• 観測されたPAH濃度と金属量の相関は、金属量依存的PAH生成とは異なり、低質量AGB星からの遅れのある炭素由来ダスト供給に起因する。
• 高赤方偏移クェーサーJ1148+5251におけるダスト質量分率Z_d = 0.0067を説明するには、微粒子破壊がないと仮定した場合、1回の超新星爆発あたり0.1〜1 M☉のダストを生成する必要がある。
• これまでに観測された最大の超新星ダスト生成量（カシオペアAで0.054 M☉）は、凝縮効率がほぼ100％または分子雲内での付着が微粒子成長を促進しない限り、高赤方偏移ダスト質量を説明できない。
• ISM内での微粒子破壊は、必要な超新星ダスト生成量を顕著に増加させる。わずかな破壊（⟨m_ISM⟩ = 100 M☉）でさえ、1回あたり1〜2 M☉の生成量が必要になる。
• 星形成とダスト放射成分を自己整合的に結びつけるには、ダスト進化モデルをパopulation合成モデルに統合する必要がある。
• 分子雲内での付着は、超新星生成量を超えるダスト質量を成長させるためにおそらく不可欠であり、非蒸発的微粒子衝突が核生成中心を強化する超新星残骸（SNR）の役割が重要である。