[논문 리뷰] Characterizing Extreme Emission Line Galaxies II: A Self-Consistent Model of Their Ionizing Spectrum

Grace M. Olivier, Danielle A. Berg외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 14.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 두 개의 근접한 극단적 발광선 은하(EELG), J104457과 J141851에서 관측된 우주선 스펙트럼을 기반으로, 단일 연령의 별 집단 모델에 추가로 블랙바디 성분을 통합하여 이온화 스펙트럼의 자기 일관성 있는 모델을 수립한다. 이 모델은 80,000 K의 블랙바디 성분이 젊은 별 집단의 빛의 60–70% 기여함으로써, 낮은 이온화 상태에서 매우 높은 이온화 상태까지의 모든 방출선을 성공적으로 재현하며, 극단적인 He II 및 O IV 방출선을 설명하기 위해 필수적인, 기존에 설명되지 않은 하드 이온화 광자를 드러낸다.

ABSTRACT

Observations of high-redshift galaxies ($z >$ 5) have shown that these galaxies have extreme emission lines with equivalent widths much larger than their local star-forming counterparts. Extreme emission line galaxies (EELGs) in the nearby universe are likely analogues to galaxies during the Epoch of Reionization and provide nearby laboratories to understand the physical processes important to the early universe. We use HST/COS and LBT/MODS spectra to study two nearby EELGs, J104457 and J141851. The FUV spectra indicate that these two galaxies contain stellar populations with ages $< \sim$ 10 Myr and metallicities $\leq$ 0.15 Z$_\odot$. We use photoionization modeling to compare emission lines from models of single-age bursts of star-formation to observed emission lines and find that the single-age bursts do not reproduce high-ionization lines including [O III] or very-high ionization lines like He II or [O IV]. Photoionization modeling using the stellar populations fit from the UV continuum similarly are not capable of reproducing the emission lines from the very-high ionization zone. We add a blackbody to the stellar populations fit from the UV continuum to model the necessary high-energy photons to reproduce the very-high ionization lines of He II and [O IV]. We find that we need a blackbody of 80,000 K and $\sim$60-70% of the luminosity from the young stellar population to reproduce the very-high ionization lines while simultaneously reproducing the low- intermediate-, and high-ionization emission lines. Our self-consistent model of the ionizing spectra of two nearby EELGs indicates the presence of a previously unaccounted-for source of hard ionizing photons in reionization analogues.

연구 동기 및 목표

• 은하 재이온화 시대의 고적색도 은하에 대한 유사체인 근접한 EELG에서 극단적 발광선의 기원을 이해하기 위해.
• 표준 별 집단 모델 예측과 비교할 때 관측된 매우 높은 이온화 상태의 방출선(예: He II, O IV) 간의 괴리 문제를 해결하기 위해.
• 낮은, 중간, 높은, 매우 높은 이온화 상태의 모든 관측된 방출선을 동시에 재현할 수 있는 물리적으로 자기 일관성 있는 이온화 스펙트럼 모델을 개발하기 위해.
• 관측된 극단적 발광선을 생성하는 데 요구되는 설명되지 않은 고에너지 이온화 광자의 물리적 기원을 규명하기 위해.

제안 방법

• BPASS 단일 연령 별 집단 모델을 사용하여 두 EELG(J104457 및 J141851)의 UV 연속 스펙트럼을 피팅하여 별의 연령(~10 Myr)과 금속성(≤0.15 Z⊙)을 도출하였다.
• CLOUDY(C17.01)를 사용한 광이온화 모델링을 통해 관측된 별 집단이 전체 네뷸라 방출선 스펙트럼을 재현할 수 있는지 테스트하였다.
• 젊은 별 집단의 빛의 60–70% 기여를 하는 80,000 K의 블랙바디 성분을 별 집단 모델에 추가하여 초과하는 고에너지 광자를 보정하였다.
• 저-부터 매우 높은 이온화 상태의 방출선([O II], [O III], He II, [Ne III], O IV)을 관측값과 일치시키기 위해 블랙바디 성분의 매개변수를 제약조건으로 설정하였다.
• 별 집단 + 블랙바디 조합 모델이 모든 이온화 영역에서 관측된 선 비율과 일관된지를 평가하였다.
• 블랙바디 성분의 물리적 해석을 탐색하였으며, 충격, WR 별, 매우 질량이 큰 별, ULX 등을 고려했으나, 특정 원인이 명확히 규명되지는 않았다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 표준 단일 연령 별 집단 모델이 EELG에서 관측된 매우 높은 이온화 상태의 방출선(예: He II, O IV)을 재현하지 못하는가?
• RQ2 근접한 EELG(J104457 및 J141851)에서 극단적 발광선 특성을 설명하기 위해 추가로 필요한 하드 이온화 광자의 원천은 무엇인가?
• RQ3 낮은, 중간, 높은, 매우 높은 이온화 상태의 방출선을 동시에 재현할 수 있는 자기 일관성 있는 이온화 스펙트럼 모델을 구성할 수 있는가?
• RQ4 관측된 80,000 K의 블랙바디 스펙트럼과 빛의 60–70% 기여를 하는 고에너지 이온화 광자를 생성할 수 있는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 결과는 은하 재이온화 시대의 고적색도 은하에서 이온화원의 성격을 어떻게 제약하는가?

주요 결과

• J104457 및 J141851의 관측된 별 집단은 연령 ≤10 Myr, 금속성 ≤0.15 Z⊙를 보이며, 낮고 중간 이온화 상태의 방출선은 재현하지만, 매우 높은 이온화 상태의 선을 생성하기에 충분한 고에너지 광자를 제공하지 못한다.
• 단일 연령 별 집단 모델만으로는 He II 및 O IV의 관측된 등가폭을 재현하지 못하며, 이는 하드 이온화 복사가 부족한 것을 시사한다.
• 80,000 K의 온도와 젊은 별 집단의 빛의 60–70% 기여를 하는 블랙바디 성분이 포함된 모델은 [O II]에서 O IV까지의 모든 관측된 방출선을 성공적으로 재현한다.
• 블랙바디 성분의 추가로 이 EELG에서의 고에너지 이온화 광자 문제(HEIP 3)가 동시에 모든 이온화 상태의 방출선을 일치시키며 해결된다.
• WR 별, 충격, ULX 등 어떤 단일 물리적 원인도 관측된 블랙바디 유사 이온화 스펙트럼을 명확히 설명하지 못하며, 향후 다중 파장 관측이 필요하다.
• 공간 해상도가 높은 UV 및 X선 데이터, O VI 진단 정보가 필요하여 하드 이온화 복사의 가능한 물리적 기원을 구분할 수 있다.