[論文レビュー] The Lyman Alpha Reference Sample XI: Efficient Turbulence Driven Ly{\alpha} Escape and the Analysis of IR, CO and [C II]158 {\mu}m

Johannes Puschnig, Matthew Hayes+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2020

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 199被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、Lyman Alpha Reference Sampleに属する14個の近距離星形成銀河について、多波長観測を用いてLyman-alphaの脱出メカニズムを調査した。その結果、星間媒体内の乱流がLyman-alphaの効率的脱出を駆動しており、Lyα脱出率と全ガス消費時間の間には強い線形相関が見られることを明らかにした。また、非AGN銀河で観測された中で最も極端な[C II]158µm対-FIR比（LARS 5で観測）を同定した。

ABSTRACT

We study the global dust and (molecular) gas content in the Lyman Alpha Reference Sample (LARS), i.e. 14 local star-forming galaxies. We characterize their interstellar medium and relate newly derived properties to quantities relevant for Ly$\alpha$ escape. We observed LARS galaxies with Herschel/PACS, SOFIA/FIFI-LS, the IRAM 30m telescope and APEX, targeting far-infrared (FIR) continuum and emission lines of [C II]158$\mu$m, [O I]63$\mu$m, [O III]88$\mu$m and low-J CO lines. Using Bayesian methods we derive dust model parameters and estimate total gas masses for all LARS galaxies, taking into account a metallicity-dependent gas-to-dust ratio. Star formation rates were estimated from FIR, [C II]158$\mu$m and [O I]63$\mu$m luminosities. LARS covers a wide dynamic range in the derived properties, with FIR-based star formation rates from $\sim$0.5-100 $M_{\odot}\ yr^{-1}$, gas fractions between $\sim$15-80% and gas depletion times ranging from a few hundred Myr up to more than 10 Gyr. The distribution of LARS galaxies in the $\Sigma_{gas}$ vs. $\Sigma_{SFR}$ (Kennicutt-Schmidt plane) is thus quite heterogeneous. However, we find that LARS galaxies with the longest gas depletion times, i.e. relatively high gas surface densities ($\Sigma_{gas}$) and low star formation rate densities ($\Sigma_{SFR}$), have by far the highest Ly$\alpha$ escape fraction. A strong $\sim$linear relation is found between Ly$\alpha$ escape fraction and the total gas (HI+H$_2$) depletion time. We argue that the Ly$\alpha$ escape in those galaxies is driven by turbulence in the star-forming gas that shifts the Ly$\alpha$ photons out of resonance close to the places where they originate. We further report on an extreme [C II]158$\mu$m excess in LARS 5, corresponding to $\sim$14$\pm$3% of the FIR luminosity, i.e. the most extreme [C II]-to-FIR ratio observed in a non-AGN galaxy to date.

研究の動機と目的

• 星形成銀河におけるLyman-alpha光子の脱出を支配する物理的メカニズム、特に乱流の役割を理解すること。
• ダスト含量、分子ガス、光子駆動領域（PDRs）内のガスを測定することで、LARS銀河の星間媒体を特徴付けること。
• 全ガスおよび星形成特性をLyman-alpha脱出率に関連づけ、脱出効率の主な駆動要因を同定すること。
• LARS 5で観測された極端な[C II]158µm発光の起源を調査し、流れ出しと放射過程との関連を明らかにすること。

提案手法

• Herschel/PACS、SOFIA/FIFI-LS、IRAM 30m、APEXを用いて、[C II]158µm、[O I]63µm、[O III]88µm、および低励起状態CO線を検出する遠赤外およびミリ波長観測を実施した。
• Draine & Li (2007)のダスト放射モデルにベイズ的フィッティングを適用し、金属量依存のガス対ダスト比も含めたダストおよびガスの性質を導出した。
• FIR、[C II]158µm、[O I]63µmの輝度を用いた経験的キャリブレーションにより、星形成率を算出した。
• スペクトルエネルギー分布のフィッティングおよびライン輝度を用いて、全ガス質量（HI + H₂）およびガス消費時間を導出した。
• 空間的に分解された運動学およびラインシフトを分析し、LARS 5における[C II]158µmの過剰発光が流れ出しに起因することを特定した。
• ガス面密度（Σgas）および星形成率面密度（ΣSFR）の分布をマッピングし、Kennicutt-Schmidtのスケーリング則の検証を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 乱流は星形成銀河におけるLyman-alpha脱出率の向上にどのように寄与するか？
• RQ2 LARSサンプル全体を通じて、ガス消費時間スケールとLyman-alpha脱出率の相関関係はいかなるものか？
• RQ3 LARS 5で観測された極端な[C II]158µm対-FIR輝度比の原因は何か？
• RQ4 ダスト含量、金属量、およびガスの幾何学的配置は、これらの銀河におけるLyman-alpha放射輸送にどのように影響を与えるか？
• RQ5 [C II]158µmおよび[O I]63µm輝度は、低金属量系において信頼できる星形成率指標として適切か？

主な発見

• Lyman-alpha脱出率と全ガス（HI+H₂）消費時間の間には強い線形相関が確認され、ガス消費時間が長い銀河では顕著に高い脱出率を示した。
• LARS銀河は、星形成率（0.5–100 M⊙ yr⁻¹）、ガス分率（15–80%）、ガス消費時間（数百年Myrから10 Gyr以上）の広いダイナミックレンジを示した。
• LARS 5は、非AGN銀河として観測された中で最も極端な[C II]158µm対-FIR輝度比（FIR輝度の約14±3%）を有していた。
• LARS 5の[C II]158µm線は、システム的ドリフトに比べてブルーシフトしており、強力な流れ出し成分が関与し、それが発光の増幅に寄与している可能性が示された。
• ガス面密度が高く、星形成率面密度が低い（つまり、ガス消費時間が長い）銀河では、最も高いLyman-alpha脱出率を示した。
• 星形成領域における乱流が、共鳴散乱を避けるためにLyman-alpha光子を共鳴状態からずらす主要なメカニズムであると提案された。