[論文レビュー] The SKA view of the Neutral Interstellar Medium in Galaxies

W. J. G. de Blok, Filippo Fraternali+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2015

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 3被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、低密度の原子水素（H I）を高分解能・高感度で観測可能にするため、電波望遠鏡のスケールキロメートルアレイ（SKA）が銀河内の中性星間媒体（ISM）の理解を画期的に進める方法を概説している。SKAは、冷たい塊状のガスをマッピングし、ガス降着過程（特に冷たい降着と銀河フレーム・フロー）を解明することで、小スケールの雲の力学と大規模な星形成則との物理的関連を解明する。SKA2では、100時間の積分後に8.9×10¹⁶ cm⁻²という極めて低い列密度のガスを検出可能な、類例なき感度を達成する。

ABSTRACT

Two major questions in galaxy evolution are how star-formation on small scales leads to global scaling laws and how galaxies acquire sufficient gas to sustain their star formation rates. HI observations with high angular resolution and with sensitivity to very low column densities are some of the important observational ingredients that are currently still missing. Answers to these questions are necessary for a correct interpretation of observations of galaxy evolution in the high-redshift universe and will provide crucial input for the sub-grid physics in hydrodynamical simulations of galaxy evolutions. In this chapter we discuss the progress that will be made with the SKA using targeted observations of nearby individual disk and dwarf galaxies.

研究の動機と目的

• 銀河における小スケールのガス雲の力学と大規模な星形成則との物理的メカニズムの関連を解明すること。
• 長期間にわたる星形成を支えるガス降着の起源と性質、特に冷たい降着と銀河フレーム・フローの性質を調査すること。
• 近傍銀河における低列密度H Iを検出するための現在の観測的ギャップ（感度と分解能の不足）を克服すること。
• 高精度なISMおよび周銀河媒体のマッピングを通じて、理論的銀河進化モデルの直接的検証を可能にすること。
• SKAの独自の能力を活用し、詳細なH Iマッピングによって銀河と宇宙網との関連を解明すること。

提案手法

• SKA1-MIDを用いて、3"までの高角分解能と100時間積分で9.3×10¹⁷ cm⁻²までの深さの列密度感度を実現し、近傍銀河の個々のガス複合体をマッピングする。
• SKA1-SURの広視野（18 deg²）を活用し、銀河の周囲環境を調査し、HVCやCHVCのような大規模なH I構造を検出する。
• 10～100時間の深積分を適用することで、10¹⁸ cm⁻²未満の感度限界を達成し、微弱で低列密度のガス成分を検出可能にする。
• ALMAによる分子ガス観測と組み合わせ、原子ガスから分子ガスへのガス循環を包括的に研究する。
• SKAの感度と分解能を活用し、低列密度のガス降着構造の検出によって、銀河と宇宙網との関連を追跡する。
• H I雲の運動学的および形状的特性をモデル化し、冷たい流れと銀河フレーム過程の降着メカニズムを区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 個々のガス雲や複合体における物理的状態が、ケニクット＝シュナイダー則のような大規模な星形成則をどのように生じさせるか。
• RQ2 冷たい降着が銀河にガスを供給する役割を果たしているのか、そしてSKAが低H I列密度においてこのプロセスを直接検出可能か。
• RQ3 銀河フレーム雲はガスのリサイクルと降着にどのように寄与しているのか、またハロー部の高輝度H I雲（HVC）とはどのような関連があるか。
• RQ4 周銀河H I媒体の真の列密度と空間的分布は何か。また、これは宇宙網とどのように関連しているか。
• RQ5 SKAは、ディスク銀河および矮星銀河のISMにおける、拡散的で温かいH Iから冷たく塊状のH Iへの遷移をどの程度解像可能か。

主な発見

• SKA1-MIDは、100時間積分後に30"分解能で5σの列密度感度9.3×10¹⁷ cm⁻²を達成し、グリーン・バンク望遠鏡と同等の深さの感度を実現するが、20倍の高い分解能を有する。
• SKA1-SURは、10時間の観測でH I列密度4×10¹⁹ cm⁻²まで検出可能であり、CHVCの高N_HIテールの検出を可能にする。
• SKA2は、100時間積分後に30"分解能で5σ感度8.9×10¹⁶ cm⁻²に達し、宇宙網や降着フローを最も低いH I列密度で直接探査可能になる。
• SKAは、10 Mpcまでの銀河を1"分解能でマッピングし、かつてローカル群でのみ達成可能だった空間分解能を実現する。
• SKAは、個々の銀河における冷たい塊状H Iガスをサブkpcスケールで解像し、星形成の初期段階を直接研究可能にする。
• SKAとALMAの組み合わせにより、原子ガスから分子雲および星形成に至るまでの、完全で多相的なISMの姿を捉えることが可能になる。