[論文レビュー] The Herschel Dwarf Galaxy Survey: I. Properties of the low-metallicity ISM from PACS spectroscopy

D. Cormier, S. C. Madden+18 more|CaltechAUTHORS (California Institute of Technology)|Feb 10, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 95被引用数 87

ひとこと要約

本研究では、ハーシェル・パックス分光法を用いて48個の低金属量矮星系における遠赤外線分光的線を分析し、その銀河間銀河媒体（ISM）が、高密度ガスの体積割合が低く、希薄ガスの体積割合が高い多孔質構造を示していることを明らかにした。主な発見は、中程度のFUV放射場と低PDR被覆率が原因で、[C II]、[O I]、[O III]の線対TIR放射率比が増大しており、これはUV光子が容易に漏れ出す「漏れだしたISM」を示しており、金属量の多い銀河とは明確に異なる。

ABSTRACT

The far-infrared (FIR) lines are key tracers of the physical conditions of the interstellar medium (ISM) and are becoming workhorse diagnostics for galaxies throughout the universe. Our goal is to explain the differences and trends observed in the FIR line emission of dwarf galaxies compared to more metal-rich galaxies. We present Herschel PACS spectroscopic observations of the CII157um, OI63 and 145um, OIII88um, NII122 and 205um, and NIII57um fine-structure cooling lines in a sample of 48 low-metallicity star-forming galaxies of the guaranteed time key program Dwarf Galaxy Survey. We correlate PACS line ratios and line-to-LTIR ratios with LTIR, LTIR/LB, metallicity, and FIR color, and interpret the observed trends in terms of ISM conditions and phase filling factors with Cloudy radiative transfer models. We find that the FIR lines together account for up to 3 percent of LTIR and that star-forming regions dominate the overall emission in dwarf galaxies. Compared to metal-rich galaxies, the ratios of OIII/NII122 and NIII/NII122 are high, indicative of hard radiation fields. In the photodissociation region (PDR), the CII/OI63 ratio is slightly higher than in metal-rich galaxies, with a small increase with metallicity, and the OI145/OI63 ratio is generally lower than 0.1, demonstrating that optical depth effects should be small on the scales probed. The OIII/OI63 ratio can be used as an indicator of the ionized gas/PDR filling factor, and is found ~4 times higher in the dwarfs than in metal-rich galaxies. The high CII/LTIR, OI/LTIR, and OIII/LTIR ratios, which decrease with increasing LTIR and LTIR/LB, are interpreted as a combination of moderate FUV fields and low PDR covering factor. Harboring compact phases of low filling factor and a large volume filling factor of diffuse gas, the ISM of low-metallicity dwarf galaxies has a more porous structure than that in metal-rich galaxies.

研究の動機と目的

• 低金属量矮星系における銀河間銀河媒体（ISM）の物理的状態が、金属量の多い銀河とどのように異なるかを理解すること。
• FIR分光線が星形成領域におけるISMの加熱・冷却・相構造をどのように tracer するかを調査すること。
• 金属量が[C II] 157 μm、[O I] 63/145 μm、[O III] 88 μmといった主要冷却線の励起状態、被覆率、放射率比に与える影響を特定すること。
• 金属量の変動に依存しない放射場の硬さとイオン化ガス被覆率を示す指標として、[O III]/[O I] や [O III]/[N II] の線比の信頼性を評価すること。
• Cloudy放射移動シミュレーションを用いて観測された線比をモデル化し、低金属量環境におけるISMの構造的・物理的性質を推定すること。

提案手法

• ハーシェル・矮星系調査から得られた48個の低金属量矮星系におけるFIR分光線（[C II] 157 μm、[O I] 63および145 μm、[O III] 88 μm、[N II] 122および205 μm、[N III] 57 μm）のPACS分光観測を取得した。
• ISM状態と励起メカニズムを調査するため、線対TIR放射率比（L_line / L_TIR）および線比（例：[O III]/[O I]、[C II]/[N II]）を計算した。
• L_TIR、L_TIR/L_B、金属量、FIR色と観測された線比を相関させ、ISM構造および放射場特性に関連する傾向を特定した。
• Cloudy放射移動モデルを用いて、PDRおよびイオン化ガス状態をシミュレートし、FUV放射場強度（G₀）、ガス密度（n_H）、および相の被覆率といったパラメータを変化させた。
• モデル予測と観測された線比を比較し、光分解領域（PDR）およびイオン化ガス相の被覆率を推定した。
• [N II]/[C II]比の比較とイオン化構造モデルの使用により、イオン化ガスが[C II]放射に与える寄与を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低金属量矮星系におけるFIR線放射率と線対TIR比は、金属量の多い銀河と比べてどのように異なるか？
• RQ2 これらの矮星系において、[N II]線に比べて[O III] 88 μmおよび[N III] 57 μm線が強く発光するのはどのような原因によるのか？これはイオン化放射場にどのような示唆を与えるか？
• RQ3 [C II]/[O I]および[O III]/[O I]といった線比が、低金属量ISMにおけるPDRおよびイオン化ガスの被覆率をどの程度反映しているか？
• RQ4 特に高密度ガスと希薄ガスの被覆率の違いが、FIR線放射および矮星系全体のエネルギー収支にどのように影響を与えるか？
• RQ5 [O III]/[O I]比は、金属量に依存しない、イオン化ガス／PDR被覆率の頑健な指標として機能するか？

主な発見

• FIR線は合計で最大3%の全赤外放射率（L_TIR）を占め、[O III] 88 μmが平均で最も明るく、[C II] 157 μmの2倍の明るさである。
• [C II]/L_TIR比は0.04%〜0.7%の範囲にあり、[C II] + [O I] / L_TIRの合計は0.2%〜1.0%に達しており、金属量の多い銀河と比較してガス冷却が強化されていることを示している。
• [O III]/[N II] 122比は、矮星系で金属量の多い銀河よりも4倍高い。これは放射場が硬く、イオン化パラメータが高いことを示している。
• [O III]/[O I] 63比は、イオン化ガス／PDR被覆率の頑健な指標であり、矮星系では約4倍高い。これはイオン化ガスの体積被覆率が大きいことを示唆している。
• [C II]/[N II] 122比は低く（通常<15%）、イオン化ガスが[C II]放射にほとんど寄与していないことを示しており、[C II]がPDRトレーサーとして信頼できることが確認された。
• 放射移動モデルの結果、観測された線比は中程度のFUV放射場と低密度PDRガス被覆率の組み合わせによって最もよく説明され、高希薄ガス体積被覆率を持つ多孔質ISM構造が得られた。