[논문 리뷰] A Herschel [CII] Galactic plane survey III: [CII] as a tracer of star formation

J. L. Pineda, W. D. Langer외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 01.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 84인용 수 52

한 줄 요약

이 연구는 은하수 성운에서 먼 은하에 이르기까지 여섯 계단의 폭에 걸쳐 [C II] 광도와 항성 형성률(SFR) 사이의 보편적인 척도 관계를 수립한다. 속도 해상도가 확보된 허셜 [C II] 데이터를 활용하여, 외부 은하에서 관측된 SFR-[C II] 기울기를 재현하기 위해서는 밀도 높은 PDR, 냉각 H I, CO-어둠진 H₂, 이온화 기체 등의 다수의 은하간 매질(ISM) 상이가 함께 기여해야 하며, 각 상이가 총 [C II] 광도의 약 20–30% 기여한다.

ABSTRACT

We study the relationship between the [CII] emission and the star formation rate (SFR) in the Galactic plane and separate the relationship of different ISM phases to the SFR. We compare these relationships to those in external galaxies and local clouds, allowing examinations of these relationships over a wide range of physical scales. We compare the distribution of the [CII] emission, with its different contributing ISM phases, as a function of Galactocentric distance with the SFR derived from radio continuum observations. We also compare the SFR with the surface density distribution of atomic and molecular gas, including the CO-dark H2 component. The [CII] and SFR are well correlated at Galactic scales with a relationship that is in general agreement with that found for external galaxies. By combining [CII] and SFR data points in the Galactic plane with those in external galaxies and nearby star forming regions, we find that a single scaling relationship between the [CII] luminosity and SFR applies over six orders of magnitude. The [CII] emission from different ISM phases are each correlated with the SFR, but only the combined emission shows a slope that is consistent with extragalactic observations. These ISM components have roughly comparable contributions to the Galactic [CII] luminosity: dense PDRs (30%), cold HI (25%), CO-dark H2 (25%), and ionized gas (20%). The SFR-gas surface density relationship shows a steeper slope compared to that observed in galaxies, but one that it is consistent with those seen in nearby clouds. The different slope is a result of the use of a constant CO-to-H2 conversion factor in the extragalactic studies, which in turn is related to the assumption of constant metallicity in galaxies. We find a linear correlation between the SFR surface density and that of the dense molecular gas.

연구 동기 및 목표

• 은하수의 은하수 평면에서 [C II] 복사와 항성 형성 간의 관계를 명확히 하기 위해.
• 다양한 은하간 매질(ISM) 상이가 [C II] 광도에 기여하는 방식과 그 항성 형성률(SFR)과의 상관관계를 분리하여 분석하기 위해.
• 은하수의 [C II]-SFR 관계를 외부 은하 및 근접한 항성 형성 클라우드와 비교하기 위해.
• 금속성과 CO-에서 H₂로의 전환 인자(CO-to-H₂ conversion factor)가 관측된 SFR-가스 표면 밀도 관계에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 밀도 높은 분자 기체 표면 밀도가 은하수에서 국소 클라우드에서 관측된 바와 같이 선형적으로 SFR과 상관관계가 있음을 확인하기 위해.

제안 방법

• 허셜 GOT C+ 조사에서 확보한 속도 해상도가 높은 [C II] 158 μm 복사 데이터를 활용하여 은하수 평면 복사 영역을 맵핑하기 위해.
• [C II] 데이터를 H I, 12CO, 13CO, C18O 선 관측과 융합하여 다양한 ISM 상이의 기여를 식별하고 분리하기 위해.
• 1.4 GHz 라디오 연속 복사 영역을 활용하여 SFR를 맵핑하기 위해, 이는 대량 항성에서의 이온화 복사 영역을 잘 알려진 추적자이다.
• 베이지안 오차-기울기(BES) 피팅을 적용하여 SFR 표면 밀도와 가스 표면 밀도 간의 척도 관계를 유도하기 위해.
• 은하수 데이터를 외부 은하 및 국소 클라우드 데이터와 융합하여 보편적인 [C II] 광도-SFR 관계를 유도하기 위해.
• 체계적 기울기를 이해하기 위해 체적 밀도와 금속성의 반경 방향 기울기를 고려하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하수의 은하수 평면에서 [C II] 광도는 항성 형성률(SFR)과 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ2 어느 은하간 매질(ISM) 상이가 총 [C II] 복사에 가장 크게 기여하는가? 각 상이의 SFR 상관관계는 병합된 복사와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 은하수의 [C II]-SFR 관계는 외부 은하에서 관측된 바와 일치하는가? 만약 그렇지 않다면, 그 차이를 설명하는 물리적 요인은 무엇인가?
• RQ4 왜 은하수의 SFR-가스 표면 밀도 관계는 외부 은하 연구에 비해 더 기울어져 있는가?
• RQ5 은하수 평면에서 SFR 표면 밀도와 밀도 높은 분자 기체 표면 밀도 사이에 선형 상관관계가 존재하는가?

주요 결과

• 여섯 계단에 걸쳐 [C II] 광도와 SFR 사이에 보편적인 척도 관계가 성립하며, 이 관계는 log(SFR) = (0.89 ± 0.04) log(L_[CII]) - 36.3 ± 1.5 로 기술된다.
• 개별 ISM 상이(예: 냉각 H I, CO-어둠진 H₂, 밀도 높은 PDR, 이온화 기체)는 모두 SFR와 상관관계를 보이지만, 외부 은하에서 관측된 기울기를 재현하는 데는 오직 병합된 [C II] 복사만이 가능하다.
• 은하수 [C II] 광도에 기여하는 네 가지 주요 ISM 상이의 기여도는 유사한 수준이며, 각각 밀도 높은 PDR(30%), 냉각 H I(25%), CO-어둠진 H₂(25%), 이온화 기체(20%)이다.
• 은하수에서 SFR-가스 표면 밀도 기울기가 외부 은하 연구보다 더 기울어진 것은 일정한 CO-에서 H₂로의 전환 인자를 사용하기 때문이며, 이는 은하의 반경 방향 금속성 기울기와는 다름을 가리킨다.
• SFR 표면 밀도와 밀도 높은 분자 기체 표면 밀도(산성 C18O로 추적) 사이에 선형 상관관계가 발견되었으며, 이는 국소 클라우드 연구와 일치하며, 대량 항성 형성이 밀도 높은 기체와 밀접하게 연결되어 있음을 시사한다.
• [C II] 냉각률은 ISM 상이 전반에서 SFR과 강하게 상관관계가 있으며, 이 기울기는 체적 밀도와 금속성의 반경 방향 기울기에 의해 결정된다. 이는 [C II] 냉각이 젊은 항성에서 오는 FUV 가열을 상쇄하는 데 기여한다는 개념을 지지한다.