[論文レビュー] The Herschel Dwarf Galaxy Survey: II. Physical conditions, origin of [CII] emission, and porosity of the multiphase low-metallicity ISM

D. Cormier, N. P. Abel+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2019

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 112被引用数 28

ひとこと要約

本研究では、ハーシェル矮星銀河調査から得られた低金属量矮星銀河の多相性 interstellar medium (ISM) を、Cloudyスペクトル合成コードを用いてモデル化し、物理的状態、[C II]線放出の起源、ISM の多孔質性を特徴づける。低金属量が、より高いイオン化パラメータ、増加したPDR被覆率、およびより高いISMの多孔質性を引き起こすことが判明した。これらは、電離光子の脱出を促進する主要因であり、[C II]線放出は主にPDR由来（電離ガス由来ではない）であるため、低金属量および高赤方偏移銀河における星形成率（SFR）の強固な tracer であることが示された。

ABSTRACT

The sensitive infrared telescopes, Spitzer and Herschel, have been used to target low-metallicity star-forming galaxies, allowing us to investigate the properties of their interstellar medium (ISM) in unprecedented detail. Interpretation of the observations in physical terms relies on careful modeling of those properties. We have employed a multiphase approach to model the ISM phases (HII region and photodissociation region) with the spectral synthesis code Cloudy. Our goal is to characterize the physical conditions (gas densities, radiation fields, etc.) in the ISM of the galaxies from the Herschel Dwarf Galaxy Survey. We are particularly interested in correlations between those physical conditions and metallicity or star-formation rate. Other key issues we have addressed are the contribution of different ISM phases to the total line emission, especially of the [CII]157um line, and the characterization of the porosity of the ISM. We find that the lower-metallicity galaxies of our sample tend to have higher ionization parameters and galaxies with higher specific star-formation rates have higher gas densities. The [CII] emission arises mainly from PDRs and the contribution from the ionized gas phases is small, typically less than 30% of the observed emission. We also find correlation - though with scatter - between metallicity and both the PDR covering factor and the fraction of [CII] from the ionized gas. Overall, the low metal abundances appear to be driving most of the changes in the ISM structure and conditions of these galaxies, and not the high specific star-formation rates. These results demonstrate in a quantitative way the increase of ISM porosity at low metallicity. Such porosity may be typical of galaxies in the young Universe.

研究の動機と目的

• ハーシェル矮星銀河調査に含まれる低金属量矮星銀河のISMにおける物理的状態（ガス密度、イオン化パラメータ、放射場）を特徴づけること。
• [C II] 157 µm線放出への電離ガスと光解離領域（PDRs）の相対的寄与を特定すること。
• 金属量と特定星形成率（sSFR）がISM 構造と多孔質性をどのように決定づけるかを調査すること。
• ISM の被覆率と多孔質性を定量的に評価し、高赤方偏移銀河における電離光子の脱出に及ぼす影響を検討すること。

提案手法

• 個々の銀河におけるH II領域およびPDRをモデル化するために、スペクトル合成コード Cloudy を使用した。
• モデルパラメータの調整に、観測されたFIR微細構造線の放射度（例：[C II]、[O III]、[N II]）を制約条件として用いた。
• 観測されたMIR-FIR放射を再現するために、変動するイオン化パラメータと密度プロファイルを用いた多相モデル化手法を採用した。
• モデル感度を評価するために、主な入力パラメータ（放射場、ダスト対ガス比、X線放射度、宇宙線レート）を変化させた。
• 付随データと先行研究を用いてモデルをキャリブレーションし、元素組成と幾何形状に関する仮定を精緻化した。
• ISM の多孔質性と光子脱出可能性を評価するために、PDR被覆率と電離ガスの体積率を定量した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低金属量矮星銀河のISMを特徴づける物理的状態（密度、イオン化パラメータ、放射場）は何か？
• RQ2 [C II] 157 µm線放出を支配するISMの相は何か—電離ガスかPDRか？
• RQ3 金属量と特定星形成率（sSFR）は、ISM の多孔質性と被覆率にどのように相関するか？
• RQ4 低金属量が、高sSFR効果と比較してISM の構造的・物理的変化をどの程度引き起こすか？
• RQ5 標準モデルでは観測された [O I] 145/63 線比を再現できるか、それとも追加の加熱機構を要するか？

主な発見

• 低金属量銀河は、金属豊富な銀河と比較して、より高いイオン化パラメータ（log(U) ≈ −3.0 から −0.3）と、より高いPDR密度（ne ≈ 10^0.5 から 10^3.0 cm⁻³）を示す。
• 電離ガスによる [C II] 線放出への寄与は通常30%未満であり、低金属量環境下で [C II] が主にPDRのトレーサーであることが確認された。
• 金属量の低下とPDR被覆率の相対的低下の間には明確な相関があり、ISM の多孔質性の増加を示している。
• PDR被覆率は金属量の低下およびTIR対-FUV放射度比の低下に伴って減少し、金属量に起因するISMの構造的進化を示唆している。
• イオン化パラメータは放射場ライブラリの選択に最も感受しやすく、ダスト対ガス比と密度プロファイルはPDR密度推定に影響を与える。
• 一部の銀河で観測された [O I] 145/63 線比を再現するには、低放射度のソフトX線成分と/または増加した宇宙線レートが必要である。