[논문 리뷰] Diagnostics of active galaxies: I. Modeling the infrared properties of dusty cores of starburst galaxies

A. F. Loenen, Willem A. Baan외 1명|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|2006. 07. 27.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 39인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 별폭풍 은하의-dusty 코어에서의 적외선 복사를 복사열전달 및 별집단 합성 모델링을 통해 분석하여, 거대한 별 형성만으로도 ULIRG를 동력화할 수 있음을 보여준다. 주요 결과로는 두 성분의-dust 구조(가열된 밀도 높은 내부 영역과 냉각된 확장된 외부 성분)와 IR 발광도에서 별 형성률과 초기 질량 함수 간의 디제너레이시를 확인하였다.

ABSTRACT

An evolutionary model of star formation in ULIRGs was created using existing star formation and radiative transfer codes (STARBURST99, RADMC and RADICAL) as building blocks. The results of the simulations are compared to data from two IRAS catalogs. From the simulations it is found that the dust surrounding the starburst region is made up from two components. There is a low optical depth (tau=0.1, which corresponds to 0.1% of the total dust mass), hot (T~400K) non-grey component close to the starburst (scale size 10pc) and a large scale, colder grey component (100pc, 75K) with a much larger column (tau=10). The simulations also show that starburst galaxies can be powered by massive star formation. The parameters for this star forming region are difficult to determine, since the IR continuum luminosity is only sensitive to the total UV input. Therefore, there is a degeneracy between the total starburst mass and the initial mass function (IMF) slope. A less massive star formation with a shallower IMF will produce the same amount of OB stars and therefore the same amount of irradiating UV flux. Assuming the stars are formed according to a Salpeter IMF (Psi(M) ~ M^-2.35), the star formation region should produce 10^9 Msun of stars (either in one instantaneous burst, or in a continuous process) in order to produce enough IR radiation.

연구 동기 및 목표

• 초기 적외선 복사도가 관측된 초광역 적외선 은하(ULIRG)에서 거대한 별 형성이 높은 적외선 복사도를 설명할 수 있는지 판단하기 위해.
• 복사열전달 및 별집단 합성 코드를 사용하여-dust에 둘러싸인 별폭풍 영역의 적외선 특성을 모델링하기 위해.
• 적외선 연속 스펙트럼 복사도를 해석할 때 별 형성률(SFR)과 초기 질량 함수(IMF) 간의 디제너레이시를 조사하기 위해.
• dust 기하학적 구조, 광학적 두께, 기울기 등이 관측된 적외선 SED를 어떻게 형성하는지 평가하기 위해.
• 적외선 연속 스펙트럼 모델링의 한계를 평가하고, 더 나은 매개변수 제약을 위해 스펙트럼 특징과 분자 방출을 포함할 필요성을 제기하기 위해.

제안 방법

• STARBURST99를 사용하여 총 질량(M_SB), 별 형성률(SFR), IMF 기울기(α)를 변화시킨 별집단을 시뮬레이션하는 진화 모델을 구축하였다.
• RADMC와 RADICAL을 사용하여 3차원 복사열전달 시뮬레이션을 수행하여 다양한 기하학적 구조와 광학적 두께에서의-dust 온도 및 재복사량을 계산하였다.
• 핵심 매개변수를 다양화: 스케일 크기(10 pc 및 100 pc)를 고정한 상태에서, 닫힘 각도(η), 광학적 두께(τ), 관측 기울기(δ)를 변화시켰다.
• IRAS 대역(12, 25, 60, 100 μm)에서 IR SED를 시뮬레이션하고, 결과를 IRAS 카탈로그와 비교하여 최적의 매개변수를 도출하였다.
• 기울기 영향을 분석하기 위해, 면대면 및 편면 관측 각도를 비교하였으며, 특히 단파장 및 장파장 복사에 영향을 분석하였다.
• 매개변수의 디제너레이시를 평가하기 위해, M_SB, IMF, τ, 기하학적 구조의 변화가 총 적외선 복사도(L_IR)와 SED 형태에 미치는 영향을 시험하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 거대한 별 형성만으로도 ULIRG에서 관측된 높은 적외선 복사도를 설명할 수 있는가?
• RQ2 관측된 IR SED를 가장 잘 재현하는 별폭풍 영역 주변의-dust 물리적 특성(온도, 열량 밀도, 기하학적 구조)은 무엇인가?
• RQ3 별 형성률, 초기 질량 함수, 그리고-dust 기하학적 구조의 변화가 예측된 적외선 복사에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 관측 기울기와-dust 덩어리의 뭉쳐진 정도가 관측된 적외선 복사도와 SED 형태에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ5 왜 면대면 진화 궤적은 편면 궤적보다 IRAS 데이터에 더 잘 맞는가? 이는 관측된 ULIRG 집단에 대해 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• 별폭풍 핵의-dust는 두 성분으로 구성되어 있다: 10 pc 이내에서 약 400 K의 고온·밀도 높은 내부 성분(τ ≈ 0.1), 100 pc 이내에서 약 75 K의 냉각된 확장된 외부 성분(τ ≈ 10).
• ULIRG는 거대한 별 형성만으로도 동력화될 수 있으며, 이는 Salpeter IMF(α = 2.35) 하에서 단일 폭발 또는 연속적인 형성으로 약 10^9 M☉의 별이 형성된 경우에 해당한다.
• 총 별폭풍 질량과 IMF 기울기 사이에 디제너레이시가 존재한다: 덜 질량이 많은 폭발과 얕은 IMF는 동일한 UV 복사량과 따라서 동일한 IR 복사도를 생성한다.
• τ가 1에서 10으로 증가할 때 IR 복사도는 약 2.0배 증가하고, τ가 100으로 증가할 때는 3.2배 증가하여 광학적 두께에 대한 민감도가 약한 것으로 나타났다.
• 기울기 영향은 뚜렷하다: τ = 100일 때 편면 복사도는 16배 감소하지만, 면대면 모델이 IRAS 데이터와 가장 잘 맞는다. 이는 관측된 대부분의 ULIRG가 면대면일 가능성이 높다는 것을 시사한다.
• 편면 구성에 대한 모델의 낮은 적합도는, 효과적인 광학적 두께를 낮추는-dust 덩어리의 뭉쳐진 정도 또는 분류되지 않은 면대면 ULIRG 집단이 관측을 설명하기 위해 필요하다는 것을 의미한다.