[論文レビュー] The multi-phase gaseous halos of star forming late-type galaxies - I. XMM-Newton observations of the Hot Ionized Medium

R. Tuellmann, W. Pietsch+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2005

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 69

ひとこと要約

本研究では、9つの近くの縁面方向に向き合った星形成銀河のハローにおける拡散的で高温のイオン化ガスの最初の高解像度XMM-Newton X線観測を報告する。8つの銀河でソフトX線ハローが検出され、そのうち4つは高感度で初めての検出を達成した。結果は、星形成がディスク面で駆動される恒星のフィードバックによって持続的な流れが生じていることを示しており、高温イオン化ガス、拡散的イオン化ガス（DIG）、および宇宙線ハローを含む多相ガスハローが、一貫して星形成と相関している。温度、密度、質量はディスク面からの高さが増すにつれて低下しており、その傾向は、恒星のフィードバックによって駆動される持続的流れを示している。

ABSTRACT

This study presents first results from an X-ray mini-survey carried out with XMM-Newton to investigate the diffuse Hot Ionized Medium in the halos of nine nearby star-forming edge-on spiral galaxies. Diffuse gaseous X-ray halos are detected in eight of our targets, covering a wide range of star formation rates from quiescent to starburst cases. For four edge-on spiral galaxies, namely NGC3044, NGC3221, NGC4634, and NGC5775, we present the first published high resolution/sensitivity detections of extended soft X-ray halos. EPIC X-ray contour maps overlaid onto Halpha imaging data reveals that in all cases the presence of X-ray halos is correlated with extraplanar Diffuse Ionized Gas. Moreover, these halos are also associated with non-thermal cosmic ray halos, as evidenced by radio continuum observations. Supplemental UV-data obtained with the OM-telescope at 210nm show Diffuse Ionized Gas to be well associated with UV emission originating in the underlying disk. Beside NGC891, NGC4634 is the second non-starburst galaxy with a diffuse soft X-ray halo (|z|<4kpc). In case of NGC3877, for which we also present the first high resolution X-ray imaging data, no halo emission is detectable. EPIC pn spectra (0.3-12keV) of the diffuse X-ray emission are extracted at different offset positions from the disk, giving evidence to a significant decrease of gas temperatures, electron densities, and gas masses with increasing distance to the plane. A comparison between dynamical and radiative cooling time scales implies that the outflow in all targets is likely to be sustained. We find very strong indications that spatially correlated multi-phase gaseous halos are created by star forming activity in the disk plane.

研究の動機と目的

• 高解像度X線データを用いて、星形成遅発銀河のハローにおける拡散的で高温のイオン化媒体（HIM）の存在と性質を調査すること。
• X線ハローが拡散的イオン化ガス（DIG）および非熱的宇宙線（CR）ハローと空間的・物理的に相関しているかどうかを特定すること。
• 星形成がディスク面で恒星のフィードバックプロセスを通じて多相ハロー形成の主な駆動要因であるかどうかを評価すること。
• 温度、密度、冷却時間の半径勾配を分析することで、多温度・多相ハロー構造の仮説を検証すること。
• 動的時間スケールと放射冷却時間スケールを比較することで、流れの動的持続可能性を評価すること。

提案手法

• 9つの縁面方向に向き合った星形成銀河を観測するために、XMM-Newton EPIC-pn X線画像および分光法を用い、ディスク面からの複数のオフセット位置でのスペクトル抽出を実施した。
• X線等高線図をHα画像データに重ねて、X線ハローとディスク外の拡散的イオン化ガス（DIG）との空間的相関を評価した。
• XMM-NewtonのOM望遠鏡から得られた電波連続スペクトルおよびUV（210 nm）データを用いて、宇宙線ハローおよび若い星形成群をそれぞれ追跡した。
• EPIC-pnスペクトル（0.3–12 keV）を2温度の衝突電離平衡（CIE）プラズマモデルでフィットし、熱的構造と半径勾配を評価した。
• 動的時間スケールと放射冷却時間スケールを計算し、それらを比較することで、流れの持続可能性を評価した。
• ガス温度、電子密度、質量をディスク面からの垂直距離（|z|）の関数として導出し、ハロー性質の径方向進化を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星形成縁面銀河におけるX線ハローは、拡散的イオン化ガス（DIG）および宇宙線（CR）ハローと共存しているか？
• RQ2 これらの銀河における多相ガスハローの存在は、ディスク面での星形成活動と相関しているか？
• RQ3 ハロー内の温度、電子密度、ガス質量は、ディスク面からの距離が増すにつれて減少しているか？
• RQ4 動的時間スケールと放射冷却時間スケールの比較によって示されるように、観測された流れは動的に持続可能か？
• RQ5 X線放射は多温度プラズマモデルで説明可能か、それとも非平衡イオン化が必要か？

主な発見

• 観測された9つの銀河のうち8つで拡散的ソフトX線ハローが検出され、NGC 3044、NGC 3221、NGC 4634、NGC 5775では、それぞれ最初の高解像度検出が達成された。
• X線ハローが検出されたすべての銀河で、X線放射はディスク外の拡散的イオン化ガス（DIG）および非熱的電波連続スペクトルと空間的に相関しており、ディスクの星形成に起因する共通の起源を示している。
• ディスク内の若い星からの210 nm UV連続スペクトルは、ディスク外のDIGおよびX線ハローと良好に相関しており、多相ハローのディスク駆動起源を支持している。
• X線スペクトルは、ディスク面からの距離が増すにつれてガス温度、電子密度、および導出されたガス質量が顕著に低下しており、多温度ハロー構造と整合的である。
• 動的時間スケールと放射冷却時間スケールの比較から、すべての検出されたハローで流れが持続可能であると示唆され、恒星のフィードバックによる継続的なエネルギー供給が示唆される。
• NGC 3877ではハローが検出されなかったが、これは星形成率が低いか、最近の星形成爆発に起因する可能性があり、多相ハロー形成には閾値SFRが存在する可能性を示唆している。