[논문 리뷰] Gas and dust cooling along the major axis of M33 (HerM33es) -- Herschel/PACS [CII] and [OI] observations

C. Krämer, Thomas Nikola외 18명|Kölner Universitäts PublikationsServer (Universität zu Köln)|2020. 05. 07.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 M33의 주축을 따라 [C II] 158 μm 및 [O I] 63 μm 선의 Herschel/PACS 관측을 통해 가스 및-dust 냉각을 조사하며, 먼지 열량 밀도가 증가함에 따라 [C II]/TIR 비율이 감소하는 것으로 나타나며, 이는 먼지의 차폐에 의해 [C II] 발광이 제한되며 FUV 복사장 변화보다 더 큰 영향을 받기 때문임을 밝혀낸다. 데이터는 n ~ 2×10² cm⁻³ 및 G₀ ~ 60인 중간 정도의 PDR 모델에 의해 가장 잘 설명되며, 이는 낮은 비율의 빔 채움 요소와 일치한다.

ABSTRACT

M33 is a gas rich spiral galaxy of the Local Group. We investigate the relationship between the two major gas cooling lines and the total infrared (TIR) dust continuum. We mapped the emission of gas and dust in M33 using the far-infrared lines of [CII] and [OI](63um) and the TIR. The line maps were observed with Herschel/PACS. These maps have 50pc resolution and form a ~370pc wide stripe along its major axis covering the sites of bright HII regions, but also more quiescent arm and inter-arm regions from the southern arm at 2kpc galacto-centric distance to the south out to 5.7kpc distance to the north. Full-galaxy maps of the continuum emission at 24um from Spitzer/MIPS, and at 70um, 100um, and 160um from PACS were combined to obtain a map of the TIR. TIR and [CII] intensities are correlated over more than two orders of magnitude. The range of TIR translates to a range of far ultraviolet (FUV) emission of G0,obs~2 to 200 in units of the average Galactic radiation field. The binned [CII]/TIR ratio drops with rising TIR, with large, but decreasing scatter. Fits of modified black bodies (MBBs) to the continuum emission were used to estimate dust mass surface densities and total gas column densities. A correction for possible foreground absorption by cold gas was applied to the [OI] data before comparing it with models of photon dominated regions (PDRs). Most of the ratios of [CII]/[OI] and ([CII]+[OI])/TIR are consistent with two model solutions. The median ratios are consistent with one solution at n~2x10^2 cm-3, G0~60, and and a second low-FUV solution at n~10^4 cm-3, G0~1.5. The bulk of the gas along the lines-of-sight is represented by a low-density, high-FUV phase with low beam filling factors ~1. A fraction of the gas may, however, be represented by the second solution.

연구 동기 및 목표

• M33의 주축을 따라 [C II] 158 μm 및 [O I] 63 μm 발광의 공간 분포를 맵핑하여 은하간 매질의 냉각 메커니즘을 연구한다.
• 가스 냉각 메커니즘을 이해하기 위해 [C II]/TIR 및 [O I]/TIR 비율과 먼지 복사(열량) 간의 관계를 정량화한다.
• VLA H I 데이터와 복사전달 보정을 사용하여 냉각 중성 매질(CNM)과 전경 흡수의 [C II] 및 [O I] 선 발광 기여도를 평가한다.
• 관측된 선 비율을 표준 PDR 모델과 비교하여 M33의 디스크에서의 가스 밀도, FUV 복사장 및 빔 채움 요소를 제약한다.
• 금속성 경향 또는 먼지 열량 밀도 변화 중 어느 것이 별 형성 영역에서 관측된 [C II]/TIR 감소를 지배하는가를 평가한다.

제안 방법

• 10–15 초초 해상도에서 M33의 주축을 따라 깊은 Herschel/PACS 맵을 [C II] 158 μm 및 [O I] 63 μm 발광에 대해 확보하였다.
• 수정된 블랙바디(MBB) 모델을 피팅하기 위해 Spitzer/IRS 70–160 μm 연속체 데이터를 결합하여 먼지 온도 및 표면 밀도를 유도하였다.
• 냉각 중성 매질(CNM)의 [C II] 발광 기여도를 추정하기 위해 VLA H I 데이터를 사용하였으며, K2013 보정 방법을 적용하였다.
• 고 H I 열량 밀도에서까지 3.3에 이르는 보정 인자를 추정하기 위해 이중 기체층 모델(냉각 전경 + 따뜻한 배경)을 사용하여 [O I] 선 강도를 전경 흡수로부터 보정하였다.
• [O I] 흡수를 보정한 후 관측된 [C II]/[O I] 및 ([C II]+[O I])/TIR 비율을 Kaufman 등(2006)의 PDR 모델과 비교하여 물리적 조건을 유도하였다.
• TIR를 0.5 디엑스 간격으로 데이터를 분할하여 먼지 열량 밀도 증가에 따른 [C II]/TIR 및 [O I]/TIR의 추세를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 M33의 주축을 따라 [C II]/TIR 비율은 어떻게 변화하며, 고-TIR 영역에서의 감소를 이끄는 물리적 과정은 무엇인가?
• RQ2 M33에서 관측된 [C II]/TIR 감소는 은하 중심 반경에 따라 감소하는 금속성보다 먼지 열량 밀도 증가에 의해 더 크게 기인하는가?
• RQ3 냉각 중성 매질(CNM)은 관측된 [C II] 발광에 어떤 기여도를 하는가? 이는 PDR 진단의 해석에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 전경 및 배경 기체층은 [O I] 63 μm 선 강도에 어떤 영향을 미치며, 정확한 PDR 모델링을 위해 어떤 보정이 필요한가?
• RQ5 M33에서 관측된 [C II]/[O I] 및 ([C II]+[O I])/TIR 비율을 가장 잘 재현하는 PDR 모델 매개변수(밀도, FUV 복사장, 빔 채움 요소)는 무엇인가?

주요 결과

• [C II]/TIR 비율은 저-TIR 영역에서 1.1±0.4%에서 고-TIR 영역의 암부 밝은 영역에서 0.5±0.1%로 감소하며, 먼지 열량 밀도 증가와 강한 반비례 관계를 보임을 시사한다.
• [C II]/TIR 감소는 먼지 온도 및 발산성의 일정함을 가정할 때 먼지 질량 표면 밀도 증가로 인한 것으로 확인되었으며, 이는 수정된 블랙바디 피팅에 의해 뒷받침된다.
• H II 영역 BCLMP 691의 경우, [C II]/TIR 감소는 일정한 [C II] 표면 밝기와 함께 증가하는 TIR와 일치하며, FUV 복사장 변화의 영향이 아니라 먼지 열량 밀도 증가 때문임을 시사한다.
• [O I]/[C II] 비율은 약 0.2에서 20 사이에서 변동하며 평균은 4.5±2.6이며, TIR 빛이 강한 영역에서만 강한 상관관계를 보이며, 희박한 기체와 조밀한 기체에서 다른 흥분 조건을 가짐을 나타낸다.
• ([C II] + [O I])/TIR 비율의 평균은 0.75±0.3%이며, 0.3%에서 3% 사이로 변동하며, 이는 이 선들이 M33 디스크의 냉각 예산을 지배함을 시사한다.
• PDR 모델링 결과는 n ~ 2×10² cm⁻³ 및 G₀ ~ 60인 중간 정도의 해를 선호하며, 이는 낮은 빔 채움 요소(~1)를 의미한다. 반면 저-FUV 해(n ~ 10⁴ cm⁻³, G₀ ~ 1.5)는 비현실적으로 높은 채움 요소로 인해 일관성이 없음.