[논문 리뷰] A complete 12CO 2-1 map of M51 with HERA: I. Radial averages of CO, HI, and radio continuum

K. Schüster, C. Krämer외 3명|ArXiv.org|2006. 09. 25.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 55인용 수 81

한 줄 요약

이 연구는 IRAM 30m 망원경에 장착된 HERA 수신기로 상호작용하는 나선파악성 M51의 완전한 12CO 2–1 지도를 제작하여 450 pc 해상도를 달성하였다. CO, HI 및 20 cm 전파연속체 자료를 조합함으로써, 지수 n = 1.4 ± 0.6인 반경 방향 색스키 법칙을 규명하였으며, 총 가스 표면 밀도와 항성 형성률 간의 강한 상관관계를 확인하였고, 비상호작용 성간 은하보다 짧은 0.1–1 Gyr 범위의 가스 고갈 시간을 발견하였다. 이는 조우 상호작용로 인한 것으로 보인다.

ABSTRACT

The mechanisms governing the star formation rate in spiral galaxies are not yet clear. The nearby, almost face-on, and interacting galaxy M51 offers an excellent opportunity to study at high spatial resolutions the local star formation laws. In this first paper, we investigate the correlation of H2, HI, and total gas surface densities with the star forming activity, derived from the radio continuum (RC), along radial averages out to radii of 12kpc. We have created a complete map of M51 in 12CO 2-1 at a resolution of 450kpc using HERA at the IRAM-30m telescope. These data are combined with maps of HI and the radio-continuum at 20cm wavelength. The latter is used to estimate the star formation rate (SFR), thus allowing to study the star formation efficiency and the local Schmidt law. The velocity dispersion from CO is used to study the critical surface density and the gravitational stability of the disk. The critical gas velocity dispersions needed to stabilize the gas against gravitational collapse in the differentially rotating disk of M51 using the Toomre criterion, vary with radius between 1.7 and 6.8 km/s. Observed radially averaged dispersions derived from the CO data vary between 28 km/s in the center and 8 km/s at radii of 7 to 9 kpc. They exceed the critical dispersions by factors Q_gas of 1 to 5. We speculate that the gravitational potential of stars leads to a critically stable disk.

연구 동기 및 목표

• 상호작용하는 나선파악성 M51에서 분자가스(CO), 원자가스(HI), 항성 형성 활동 간의 반경 방향 상관관계를 조사하기 위해.
• 항성 형성률을 추정하기 위해 전파연속체를 항성 형성률의 추적자로 사용하여 항성 형성 효율과 가스 고갈 timescale을 결정하기 위해.
• 토름 기준을 적용하여 중력적 안정성을 평가하고, 관측된 속도 분산을 디스크 안정성에 필요한 임계 값과 비교하기 위해.
• 가스 표면 밀도의 반경 방향 진화와 지역적 색스키 법칙에 기여하는 요소를 분석하기 위해.

제안 방법

• 11" (~450 pc) 광선 해상도를 가진 IRAM 30m 망원경에 장착된 HERA 수신기를 사용하여 M51의 완전한 12CO 2–1 지도를 제작하였다.
• 표면 밀도 및 단위 면적당 항성 형성률을 계산하기 위해 CO, HI 및 20 cm 전파연속체 복사의 반경 평균을 추출하였다.
• 20 cm 전파연속체 복사에서 항성 형성률을 유도하였으며, 전파 빛의 강도와 항성 형성률 간의 캘리브레이션을 가정하였다.
• 중력적 안정성에 필요한 임계 속도 분산을 계산하기 위해 토름 기준을 적용하였고, 관측된 CO 선 분산과 비교하였다.
• 지역적 색스키 법칙을 검증하기 위해 반경 프로파일에 대해 Σ_SFR ∝ Σ_gas^n을 피팅하고, 로그-로그 플롯에서 선형 회귀를 통해 n을 유도하였다.
• 빔 스메어링과 노이즈 보정을 포함하였으며, 탐지 한계는 3σ = 1.7 × 10^5 M⊙이었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 M51의 반경 방향 프로파일에서 총 가스 표면 밀도(Σ_gas)와 항성 형성률 표면 밀도(Σ_SFR) 간의 상관관계는 어떻게 되는가?
• RQ2 분자가스와 원자가스 표면 밀도의 반경 방향 진화는 어떻게 되며, 어느 반경에서 HI가 H2를 초월하는가?
• RQ3 토름 기준에 따라 요구되는 임계 분산과 비교할 때 관측된 CO 선 분산은 어떻게 되는가?
• RQ4 M51의 전역적 가스 고갈 timescale은 얼마이며, 비상호작용 성간 은하와 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ5 왜 M51의 항성 형성 효율은 다른 정상 은하보다 높은가? 그리고 NGC 5195와의 상호작용은 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• M51의 총 분자가스 질량은 1.94 × 10^9 M⊙이며, 전역적 H i /H2 질량 비율은 1.36이다.
• 중심부에서의 총 가스 표면 밀도는 약 70 M⊙ pc⁻²에서 12 kpc에서 약 3 M⊙ pc⁻²로 감소하며, 동일한 반경 범위에서 H i /H2 비율은 약 0.1에서 약 20으로 증가한다.
• 단위 면적당 항성 형성률은 중심부의 항성 형성 폭발 영역에서 약 400 M⊙ pc⁻² Gyr⁻¹에서 외부 디스크에서 약 2 M⊙ pc⁻² Gyr⁻¹로 감소한다.
• 반경 방향 색스키 법칙은 Σ_SFR ∝ Σ_gas^n 형태로 잘 기술되며, 비율 지수는 n = 1.4 ± 0.6이다. 이는 고립된 디스크의 SPH 시뮬레이션과 일치한다.
• 관측된 CO 선 분산(중심부에서 28 km s⁻¹에서 7–9 kpc에서 약 8 km s⁻¹)은 토름 기준에 따른 임계 분산(1.7–6.8 km s⁻¹)을 1~5배 초과하여, 높은 항성 형성률에도 불구하고 디스크가 중력적으로 안정하다는 것을 시사한다.
• 전역적 가스 고갈 시간은 0.8 Gyr이며, 비상호작용 정상 은하보다 현저히 짧다. 이는 NGC 5195와의 조우 상호작용로 인한 항성 형성 효율 향상 때문인 것으로 보인다.