[論文レビュー] The Lyman alpha Reference Sample VI: Lyman alpha escape from the edge-on disk galaxy Mrk1486

Florent Duval, Göran Östlin+17 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2015

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 89被引用数 15

ひとこと要約

本研究は、ハッブル宇宙望遠鏡（HST）の画像および分光観測と、3次元モンテカルロ放射遷移シミュレーションを組み合わせて、傾斜角が大きい星形成銀河Mrk1486におけるリプマンアルファ（Lyα）線の脱出を調査した。その結果、中性水素の双極的噴流に伴う散乱によってLyα光子が効率的に脱出することを明らかにした。これは、視線角の影響により、傾斜角が大きい銀河ではLyα放射が抑制されるという従来の見解に反するものである。

ABSTRACT

While numerical simulations suggest that the strength of the Lyman alpha (Lya) line of star-forming disk galaxies strongly depends on the inclination at which they are observed (i.e. from edge-on to face-on, we expect to see a change from an attenuated Lya line to a strong Lya emission line), recent observations with the Hubble space telescope (HST) have highlighted few low-redshift highly inclined (edge-on) disk galaxies that breaks this trend. We aim to understand how a strong Lya emission line is able to escape from one of those inclined disk galaxies, named Mrk1486 (z=0.0338). For that purpose we used a large set of HST imaging and spectroscopic data to investigate both the ISM structure and the dominant source of Lya radiation inside Mrk1486. Moreover, we used a 3D Monte Carlo Lya radiation transfer code to study the radiative transfer of Lya and UV continuum photons inside a 3D geometry of neutral hydrogen (HI) and dust that models the ISM structure at the galaxy center. The analysis of IFU Halpha spectroscopic data of Mrk1486 indicates the presence of two bipolar galactic winds of HI gas above and bellow the disk plane of Mrk1486. Furthermore, comparing different diagnostic diagrams (such as [OIII]5007/Hbeta versus [OI]6300/Halpha) to photo- and shock-ionization models, we find that the Lya production of Mrk1486 is dominated by photoionization inside the galaxy disk. From this perspective, our numerical simulations succeed in reproducing the strength and spectral shape of the observed Lya line of Mrk1486 by assuming a scenario in which the Lya photons are produced inside the disk, travel along the galactic winds and scatter on cool HI materials toward the observer. As bipolar galactic winds are ubiquitous in star-forming disk galaxies, this mechanism may explain the origin of strong Lya emission lines recently observed from highly inclined galaxies at high-redshift.

研究の動機と目的

• 傾斜角が大きいディスク銀河であるMrk1486において、強いLyα放射がどのようにして脱出可能であるかを理解すること。これは、視線角の幾何学的要因によって強い減光が予想されるためである。
• 銀河中心部におけるLyα生成の主因となるイオン化機構を特定すること。
• 銀河の星間物質（ISM）および噴流ハローを通過するLyαおよびUV光子の3次元放射遷移をモデル化すること。
• 銀河の噴流が、高く傾いた系において観測されたLyα線プロファイルおよび放射度を説明できるかを評価すること。
• 星形成ディスク銀河におけるLyα特性に及ぼす視線角効果の頑健性を検証すること。

提案手法

• HST/COS分光観測および画像観測を用いて、LyαおよびHα放射をマッピングし、Mrk1486のISM構造を調査した。
• 積分場ユニット（IFU）分光観測を用いて、ディスク上面および下面に明るいLyα構造と一致する双極的HI噴流を検出した。
• 診断用発光ライン比（[OIII]/Hβ、[OI]/Hα、[NII]/Hα、[SII]/Hα）を用いて、光電離と衝撃電離のどちらがLyαの主因であるかを区別した。
• 3次元モンテカルロ放射遷移コードMCLyaを用いて、銀河中心部の中性水素およびダストの3次元幾何構造を通るLyαおよびUV連続スペクトルの輸送をシミュレートした。
• 観測されたHST/COSスペクトルとシミュレートされたLyαプロファイルを一致させることで、噴流ハローの物理的パラメータ（速度、HI吸収深さ、ダスト減光、温度）を制約した。
• SiIIラインプロファイルを用いてISMのクラスタブルネスを評価した。その結果、ディスク領域における中性ガスクラスターの全被覆率が100%であることが判明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ傾斜角が大きいディスク銀河であるMrk1486は、リコネン散乱の影響によりLyα脱出が抑制されるはずなのに、強いLyα放射を示すのか？
• RQ2 Mrk1486の中心部でLyα光子を生成する主因となるイオン化機構は何か？
• RQ3 中性水素の噴流ハローが、傾斜角が大きい銀河におけるLyα光子の脱出およびプロファイルにどのように影響を与えるか？
• RQ4 現実的なISMおよび噴流幾何構造を用いた3次元放射遷移シミュレーションは、Mrk1486の観測されたLyα線プロファイルを再現できるか？
• RQ5 銀河の噴流が、ディスク銀河における予想される視線角によるLyα放射の抑制をどの程度軽減できるか？

主な発見

• Mrk1486は、80 Åの固有等価幅を示す強いLyα発光線を示しており、これはスペクトルエネルギー分布（SED）フィッティングから得られた3.02 ± 0.20 Myrの星形成年齢と整合的である。
• Lyα線プロファイルは、Lyα光子がディスクで生成され、双極的噴流するHIハロー内で複数回散乱することで脱出するという3次元放射遷移モデルによって最もよく再現された。
• ディスク面の上下に位置する2つの明るいLyα領域は、それぞれ180 km s⁻¹および100 km s⁻¹の速度を持つHI噴流と空間的に一致している。
• 噴流ハローのHI吸収深さは3–4 × 10¹⁹ cm⁻²であり、これは約10⁵ M⊙の全閉じ込められたHI質量に相当し、温度は約30,000 Kである。
• 銀河ディスクのISMは非常にクラスタブルであり、SiIIラインプロファイルから中性ガスクラスターの全被覆率が100%であることが明らかになった。
• 本研究は、従来の視線角効果を挑戦しており、傾斜角が大きい銀河における双極的噴流が強いLyα脱出を可能にすることを示唆しており、高赤方偏移における強いLyα発光銀河の検出を説明できる。