[論文レビュー] VLT-SINFONI sub-kpc study of the star formation in local LIRGs and ULIRGs: Analysis of the global $\Sigma_{ m SFR}$ structure and characterisation of individual star-forming clumps

Javier Piqueras López, L. Colina+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2016

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、17個の近赤外LIRGおよびULIRGを対象に、VLT-SINFONIを用いた近赤外線積分場分光法を用い、サブkpcスケールでの星形成をマッピングし、BrγおよびPaα線の放射をもとに減光補正済みの星形成率表面密度（ΣSFR）を導出している。その結果、ULIRGはLIRGに比べて全体的なΣSFRが顕著に低いが、中心領域では表面密度が高くなる傾向を示しており、高赤方偏移領域の星形成則の補正に解像度や距離の影響が生じる可能性があることが示唆された。

ABSTRACT

We present a 2D study of star formation at kpc and sub-kpc scales of a sample of local (z<0.1) U/LIRGs, based on near-IR VLT-SINFONI observations. We obtained integrated measurements of the star formation rate (SFR) and star formation rate surface density, together with their 2D distributions, based on Br_gamma and Pa_alpha emission. We observe a tight linear correlation between the SFR derived from our extinction-corrected measurements and that derived from 24 micron data, and a reasonable agreement with SFR derived from total IR luminosity. Our near-IR measurements are on average a factor 3 larger than optical SFR, even when extinction corrections are applied. We found that LIRGs have a median-observed star formation rate surface density of 1.72 Msun/yr/kpc^2 for the extinction-corrected distribution, whilst ULIRGs have 0.23 Msun/yr/kpc^2, respectively. These median values for ULIRGs increase up to 2.90 Msun/yr/kpc^2, when only their inner regions, covering the same size as the average FoV of LIRGs, are considered. We identified a total of 95 individual SF clumps in our sample, with sizes within 60-1500pc, and extinction-corrected Pa_alpha luminosities of 10^5-10^8 Lsun. Star-forming clumps in LIRGs are about ten times larger and thousands of times more luminous than typical clumps in spiral galaxies. Clumps in ULIRGs have sizes similar (x0.5-1) to those of high-z clumps, having Pa_alpha luminosities similar to some high-z clumps, and about 10 times less luminous than the most luminous high-z clumps identified so far. We also observed a change in the slope of the L-r relation. A likely explanation is that most luminous galaxies are interacting and merging, and therefore their size represents a combination of the distribution of the star-forming clumps within each galaxy in the system plus the effect of the projected distance.

研究の動機と目的

• 近赤外線積分場分光法を用いて、サブkpc解像度で局所的LIRGおよびULIRGにおける星形成率表面密度（ΣSFR）の2次元的分布を特徴づけること。
• U/LIRGに存在する個々の星形成クラスターを特定・分析し、そのサイズ、放射能、およびΣSFR値を定量化すること。
• 角分解能および距離の影響が観測されたΣSFR測定に与える影響を評価すること、特に高赤方偏移類縁に対して。
• Paαから導出した減光補正済みSFRと、スパッタラー24 µmおよび光学的HαからのSFRを比較し、トレーサー間の一貫性を評価すること。
• 観測されたΣSFR分布が、高赤方偏移領域におけるケニカット＝シュไ院院士形成則の普遍性に与える影響を調査すること。

提案手法

• 17個の局所的U/LIRG（z < 0.1）に対して、VLT-SINFONIを用いた近赤外線積分場分光法を実施し、サブkpc空間解像度を達成した。
• T = 10,000 Kおよびne = 10⁴ cm⁻³におけるケースB再結合理論を用い、BrγおよびPaα線の放射線強度を測定し、減光補正済みの星形成率を導出した。
• 減光補正済みPaα放射能と有効半径から、ΣSFR（M⊙ yr⁻¹ kpc⁻²）を計算した。不確実性はブートストラップリサンプリング（N = 300）を用い、さらに15%の放射強度校正誤差と平方和をとった。
• 空間的に解像された放射マップを用いて、個々の星形成クラスターを同定した。局所的最大値に基づき領域を定義し、そのサイズ、Paα放射能、およびΣSFRを測定した。
• 距離の影響を模擬するために、LIRGデータをULIRGの平均距離に再投影し、中央値ΣSFRが人工的にどの程度増加するかを評価した。
• クラスターのL–ΣSFR関係を分析し、その傾き（η）をローカルおよび高赤方偏移サンプルと比較することで、構造的進化を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 局所的LIRGおよびULIRGにおける観測済みおよび減光補正済みのΣSFR分布が、サブkpcスケールでどのように異なっているか？
• RQ2 極度に遮蔽されたU/LIRGにおいて、Paα、Hα、およびスパッタラー24 µmデータからのSFR測定値はどの程度一致するか？
• RQ3 U/LIRGに存在する個々の星形成クラスターの物理的性質（サイズ、放射能、ΣSFR）は何か？また、高赤方偏移銀河のクラスターと比較するとどうなるか？
• RQ4 角分解能および赤方偏移の選択が、導出されたΣSFRに与える影響は何か？高赤方偏移領域の星形成則の補正にどのような影響を及えるか？
• RQ5 ローカルと高赤方偏移サンプルの間でL–ΣSFR関係の傾きが異なるのはなぜか？これは、高赤方偏移星形成系の構造的および力学的状態に何を示唆するか？

主な発見

• LIRGの中央値観測ΣSFRは1.16 M⊙ yr⁻¹ kpc⁻²であり、減光補正後は1.72 M⊙ yr⁻¹ kpc⁻²に増加する。ULIRGでは、それぞれ0.16および0.23 M⊙ yr⁻¹ kpc⁻²であった。
• 通常のLIRGの視野（FoV）に相当する中心領域に限定した場合、ULIRGの中央値ΣSFRは観測値で1.38 M⊙ yr⁻¹ kpc⁻²、補正後で2.90 M⊙ yr⁻¹ kpc⁻²となり、コンパクトな核部で表面密度が高くなっていることが示された。
• シミュレーションにより、同じ物理的ΣSFR分布がULIRGの平均距離で観測された場合、ビームのぼやけや解像度の影響により、約2〜3倍の人工的増加が生じることが示された。
• 合計95個の星形成クラスターが同定された。LIRGのクラスターはサイズ60〜400 pc、Paα放射能10⁵〜10⁷ L⊙の範囲にあり、ULIRGのクラスターは300〜1500 pc、10⁶〜10⁸ L⊙の範囲にあった。
• ULIRGのクラスターはΣSFRが0.1〜100 M⊙ yr⁻¹ kpc⁻²の範囲にあり、最も明るいクラスターは、最も極端な高赤方偏移クラスターに比べて約10倍弱い放射能を示した。
• 高赤方偏移サンプルのL–ΣSFR関係の傾き（η）は1.88であり、ローカル値の3.04に比べて著しく平らである。これは、高赤方偏移領域の相互作用銀河系で複数のクラスターと銀河が重ね合わさっているためであると考えられる。