[論文レビュー] The Nuclear Bulge of the Galaxy. III. Large-Scale Physical Characteristics of Stars and Interstellar Matter

R. Launhardt, R. Zylka+1 more|ArXiv.org|Jan 17, 2002

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 64被引用数 241

ひとこと要約

本研究は、2.2–240 μmのIRASおよびCOBE DIRBEデータを分析し、はくちょう座銀河核バルジ（NB）における星および星間物質の大規模構造をモデル化した。その結果、中心にR⁻²型の星集団を有する、質量が大きくディスク型の複合構造が特定され、核星ディスクは230±20 pcの半径にわたり、共存する核分子ディスクと一致する。主な貢献は、運動論的データと完全に整合する最初の光度的質量分布であり、30 pc以降の密度プロファイルが平坦であることを示し、高密度にもかかわらず強い放射線透過を可能にする星間物質（ISM）の極めてクラスタ型の構造を明らかにした。

ABSTRACT

We analyse IRAS and COBE DIRBE data at wavelengths between 2.2 and 240 mu of the central 500pc of the Galaxy and derive the large-scale distribution of stars and interstellar matter in the Nuclear Bulge. Models of the Galactic Disk and Bulge are developed in order to correctly decompose the total surface brightness maps and to apply proper extinction corrections. The Nuclear Bulge appears as a distinct, massive disk-like complex of stars and molecular clouds which is, on a large scale, symmetric with respect to the Galactic Centre. It is distinguished from the Galactic Bulge by its flat disk-like morphology, very high density of stars and molecular gas, and ongoing star formation. The Nuclear Bulge consists of an R^-2 Nuclear Stellar Cluster at the centre, a large Nuclear Stellar Disk with radius 230+-20 pc and scale height 45+-5 pc, and a Nuclear Molecular Disk of same size. Its total stellar mass and luminosity are 1.4+-0.6 10^9 M_sun and 2.5+-1 10^9 L_sun, respectively. The total mass of interstellar hydrogen in the Nuclear Bulge is 2+-0.3 10^7 M_sun. Interstellar matter in the Nuclear Bulge is very clumpy with ~90% of the mass contained in dense and massive molecular clouds with a volume filling factor of only a few per cent. This extreme clumpiness enables the strong interstellar radiation field to penetrate the entire Nuclear Bulge and explains the relatively low average extinction towards the Galactic Centre. In addition, we find 4 10^7 M_sun of cold and dense material located outside the Nuclear Bulge, which gives rise to the observed asymmetry in the distribution of interstellar matter in the Central Molecular Zone.

研究の動機と目的

• 500 pc以内の銀河ディスクと核バルジの表面輝度寄与を、多波長赤外データを用いて分離すること。
• 星間物質およびダストの三次元分布をモデル化し、減光を補正し、核バルジにおける真の星およびISM放射を分離すること。
• 既存の運動論的質量測定と整合する、中心500 pcにおける光度的質量分布を導出すること。
• 特に中央分子領域において、星間物質の形態、質量分布、クラスタ構造を特徴づけること。
• 高密度のガスおよびダストにもかかわらず、銀河中心への平均減光が予想よりも低い理由を、高密度分子雲の空間的分布と体積充填率の分析によって解明すること。

提案手法

• 銀河ディスク（GD）を、スパイラルアームを含む軸対称ディスクとしてモデル化し、観測された半径方向および垂直方向の密度プロファイルに従って、H I、H₂、H II成分を組み込む。
• 100 pc³のセルを用いた3次元グリッドベースのモデルを用い、ダスト放射および減光をシミュレート。COBE/DIRBE 240 μmデータおよびFIR色温度で補正。
• H₂にはsech²、H Iには二重ガウス型の垂直密度プロファイルを適用し、スケール高さをWouterlootら（1990）の測定値に合わせた。
• ヘイアーとテレベイ（1998）に基づき、ガウス型密度対比を有する4アーム対数螺旋パターンを組み込み、FIR放射の変動を再現。
• Sodroski ら（1994）およびAfflerbach ら（1997）を用いてダスト温度および金属量（Z/Z⊙ = 2）を補正し、観測されたFIR放射に適合するように調整。
• 3次元ISMモデルを用いて、NIR表面輝度における前後側発光寄与を分離し、核バルジの正確な減光補正を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 はくちょう座銀河核バルジにおける星および星間物質の大規模空間的分布はどのように分布しているか？
• RQ2 核バルジの光度的質量分布は、運動論的質量分布とどのように比較されるか？
• RQ3 高密度のダストおよびガスにもかかわらず、銀河中心への平均減光が予想よりも低いのはなぜか？
• RQ4 特に中央分子領域において、星間物質の形態と質量分布はどのようなものか？
• RQ5 星間物質のクラスタ構造は、放射場の透過および観測放射にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 核バルジの全星質量は1.4 ± 0.6 × 10⁹ M⊙、全輝度は2.5 ± 1 × 10⁹ L⊙であり、そのうち70%の輝度は中心のR⁻²型星集団に由来する若年性の高質量主系列星による。
• 核星ディスクは230 ± 20 pcまで延び、スケール高さは45 ± 5 pcであり、30 pc以降の質量分布を支配する平坦な密度プロファイルは、大半の半径で単純なR⁻²則に反する。
• 核バルジ内における全星間水素質量は2.0 ± 0.3 × 10⁷ M⊙であり、そのうち80%が冷たい、大質量の外側のトーラスに、20%が温かい内側ディスク（R ≈ 110 ± 20 pc）に存在する。
• 星間物質は極めてクラスタ型であり、質量の90%が高密度で大質量の分子雲に集中し、体積充填率は数パーセントにとどまる。このため、強い放射場の透過が可能である。
• 正の経度方向に3 × 10⁷ M⊙の冷たい高密度物質、負の経度方向に1 × 10⁷ M⊙の同様の物質が存在し、中央分子領域のISM分布における非対称性を説明する。
• 本研究で導出された光度的質量分布は、銀河中心500 pcにおける運動論的質量分布と完全に整合する最初のものである。