[논문 리뷰] Dust in starburst nuclei and ULIRGs: SED models for observers

R. Siebenmorgen, E. Krügel|ArXiv.org|2006. 06. 19.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 57인용 수 119

한 줄 요약

이 논문은 은하계 먼지 성질이 표준 밀리웨이의 것과 동일한 구형 대칭 복사열 전달 모델을 사용하여, 은하폭발 핵과 초광명 적외선 은하(ULIRGs)를 위한 7,000개의 사전 계산된 스펙트럼 에너지 분포(SED)로 이루어진 공개 라이브러리를 제시한다. 이 모델들은 별 집단과 내재된 뜨거운 영역을 기반으로 하며, 관측된 SED를 라이브러리 내 가장 유사한 요소와 매칭하여 빛의 세기, 크기, 먼지/가스 질량, 투명도 등의 핵심 매개변수를 매우 낮은 계산 비용으로 정확하게 추정할 수 있다. M82와 아르프220 같은 은하에 대해 뛰어난 맞춤성을 보인다.

ABSTRACT

We provide a library of some 7000 SEDs (available at www.eso.org/~rsiebenm) for the nuclei of starburst and ultra luminous galaxies. Its purpose is to quickly obtain estimates of the basic parameters, such as luminosity, size and dust or gas mass and to predict the flux at yet unobserved wavelengths. The procedure is simple and consists of finding an element in the library that matches the observations. The objects may be in the local universe or at high z. We calculate the radiative transfer in spherical symmetry for a stellar cluster permeated by an interstellar medium with standard (Milky Way) dust properties. The cluster contains two stellar populations: old bulge stars and OB stars. Because the latter are young, a certain fraction of them will be embedded in compact clouds which constitute hot spots that determine the MIR fluxes. We present SEDs for a broad range of luminosities, sizes and obscurations. We argue that the assumption of spherical symmetry and the neglect of clumpiness of the medium are not severe shortcomings for computing the dust emission. The validity of the approach is demonstrated by matching the SED of seven of the best studied galaxies, including M82 and Arp220, by library elements. In all cases, one finds an element which fits the observed SED very well, and the parameters defining the element are in full accord with what is known about the galaxy from detailed studies. We also compare our method of computing SEDs with other techniques described in the literature.

연구 동기 및 목표

• 관측된 SED를 이용하여 은하폭발 및 ULIRG 핵의 기본 물리적 매개변수를 신속하고 접근 가능한 방식으로 추정하는 것.
• 각 소스에 대해 전체 복사열 전달 계산을 수행하는 데 드는 계산 부담을 줄이기 위해 사전에 포괄적인 SED 그리드를 계산하는 것.
• 복잡하고 덩어리진 은하폭발 환경에 대해 구형 대칭 모델과 표준 먼지 성질이 적용 가능한지 검증하는 것.
• 희박하거나 넓게 산점된 데이터 포인트(특히 MIR 및 submm 관측만 포함)로부터의 매개변수 추정을 가능하게 하는 것.
• M82와 아르프220처럼 잘 연구된 은하의 관측 SED를 고정밀도로 매칭하여 방법의 신뢰성을 입증하는 것.

제안 방법

• SED 라이브러리는 별 집단에 대해 두 개의 인구(오래된 별집단과 젊은 OB 별)를 가진 구형 대칭 복사열 전달 모델을 사용하여 생성된다.
• 먼지 성질은 표준 밀리웨이 은하간 먼지 성질을 따르며, MRN 크기 분포를 가진 실리케이트 및 비정질 탄소 입자에 더해 PAHs를 포함한다.
• 내재된 OB 별에서 유래하는 뜨거운 영역은 밀도가 높고 소형(10²–10⁴ cm⁻³)이며, 중간 적외선 영역의 복사에 주로 기여한다.
• 모델은 근적외선에서 submm에 이르는 전체 SED 범위에서 먼지의 가열과 재방출을 자료 일관성 있는 방식으로 처리하여 투명도와 열복사 방출을 동시에 계산한다.
• 라이브러리는 총 빛의 세기(10¹⁰–10¹².⁷ L⊙), 크기(0.35–3 kpc), 시각적 투명도(Av ~ 2–125 mag), 뜨거운 영역 밀도 등 넓은 범위를 커버한다.
• 관측자는 거리 정규화를 통해 데이터를 라이브러리에 매칭하고, 가장 잘 맞는 SED 요소를 선택하며, UV/광학/적외선 데이터가 필요한 경우 추가적인 별 성분을 추가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복잡하고 덩어리진 은하폭발 핵의 SED를 정확히 재현하기 위해, 구형 대칭 모델과 표준 먼지 성질을 가진 모델이 충분한가?
• RQ2 사전에 계산된 SED 라이브러리가 매개변수 추정을 위해 전체 복사열 전달 모델링을 얼마나 효과적으로 대체할 수 있는가?
• RQ3 제한된 파장 범위에서 기초 물리적 매개변수(빛의 세기, 크기, 먼지 질량, 투명도)를 얼마나 정확히 제약 조건을 줄 수 있는가?
• RQ4 저해상도, 원거리 적외선 관측에서 디스크 오염이 SED 피팅에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 최소한의 MIR 및 submm 데이터 포인트(예: 스피처 8 및 24 μm, 더불어 하나의 submm 포인트)로 총 빛의 세기와 먼지 온도를 신뢰성 있게 제약 조건을 줄 수 있는가?

주요 결과

• 라이브러리는 M82와 아르프220를 포함한 일곱 개의 잘 연구된 은하의 관측 SED를 단 한 개의 라이브러리 요소만으로도 매우 높은 정확도로 재현하였다.
• M82와 NGC6240와 같은 은하에서는 10 μm 이하 파장에서의 매칭을 위해 라이브러리 SED에 저광도 별 성분을 추가할 필요가 있었으며, 이는 핵 또는 디스크에서 흡수되지 않은 빛 때문일 가능성이 높다.
• 단 두 개의 MIR 데이터 포인트(Spitzer 8 및 24 μm)와 하나의 submm 포인트만으로도 약 2배 이내의 빛의 세기 제약 조건을 달성하였다.
• 구형 대칭을 가정하더라도 정확도에 심각한 영향을 주지 않으며, 높은 투명도를 띤 덩어리진 시스템에 대해서도 우수한 피팅 결과를 보였다. 이는 은하폭발 영역의 물리적 크기가 덩어리들보다 훨씬 크기 때문에 가능했다.
• 핵이 디스크보다 훨씬 더 밝을 경우, 원거리 적외선 및 submm 영역에서의 디스크 오염은 무시할 수 있을 정도로 작다. 이는 일반적으로 은하폭발에서 관찰되는 바이다.
• 라이브러리는 내부 구조나 관측 각도에 영향을 받지 않고, 단 한 개의 밀리미터 연속 스펙트럼 포인트만으로도 먼지 질량을 신뢰성 있게 추정할 수 있다.