[논문 리뷰] Genesis and evolution of dust in galaxies in the early Universe I. Modeling dust evolution in starburst galaxies

C. Gall, Anja C. Andersen외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 11. 13.

Astronomy and Astrophysical Research참고 문헌 1인용 수 46

한 줄 요약

이 연구는 중심 붕괴 초신성(SNe)과 적색거대분지(AGB) 항성에서 발생하는-dust 생성과 초신성 충격파에 의한 먼지 파괴를 추적하는 화학적 진화 프레임워크를 사용하여 고적도 별폭발 은하에서 먼지 진화를 모델링한다. 먼지 질량이 400 Myr 이내에 10⁸ M☉을 초과하도록 하기 위해서는 상부 집중형 초기 질량 함수(IMF), 높은 초신성 먼지 수확율, 중간 수준의 먼지 파괴가 필요하며, 초기에는 초신성(SNe)이 주로 먼지 봉제에 기여한다.

ABSTRACT

We have developed a numerical galactic chemical evolution model. The model is constructed such that the effect of a wide range of parameters can be investigated. It takes into account results from stellar evolution models, a differentiation between diverse types of core collapse SNe and the contribution of AGB stars in the mass range 3-8 Msun. We consider the lifetime-dependent yield injection into the ISM by all sources as well as dust destruction due to SN shocks in the ISM. We ascertain the temporal progression of the dust mass, the dust-to-gas and dust-to-metal mass ratios as well as other physical properties of a galaxy and study their dependence on the mass of the galaxy, the IMF, dust production efficiencies and dust destruction in the ISM. The amount of dust and the physical properties of a galaxy strongly depend on the initial gas mass available. Overall, while the total amount of dust produced increases with galaxy mass, the detailed outcome depends on the SN dust production efficiency, the IMF and the strength of dust destruction in the ISM. Dust masses are higher for IMFs biased towards higher stellar masses, despite the fact that these IMFs are more strongly affected by dust destruction in the ISM. The sensitivity to the IMF increases as the mass of the galaxy decreases. SNe are primarily responsible for a significant enrichment with dust at early epochs (< 200 Myr). Dust production with a dominant contribution by AGB stars is found to be insufficient to account for dust masses in excess of 10^8 Msun within 400 Myr after starburst. We find that galaxies with initial gas masses between 1-5 x 10^11 Msun are sufficiently massive to enable production of dust masses >10^8 Msun. Our preferred scenario is dominated by SN dust production in combination with top-heavy IMFs and moderate dust destruction in the ISM.

연구 동기 및 목표

• 고적도 별폭발 은하에서 빠른 먼지 생성을 가능하게 하는 천체물리적 조건을 규명하는 것.
• 별 형성 후 1 Gyr 이내에 먼지 질량 조립에 대한 초신성과 AGB 항성의 상대적 기여를 평가하는 것.
• 초기 질량 함수(IMF), 먼지 파괴, 은하 질량이 먼지 질량과 먼지 대 가스 비율에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 초기 은하에서 초거대 블랙홀(SMBH) 성장이 먼지 함량에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 관측된 먼지 질량이 10⁸ M☉을 초과하는 z > 6 은하를 재현할 수 있는 매개변수 공간(IMF, 수확율, 파괴)을 규명하는 것.

제안 방법

• 수치적 화학적 진화 모델이 SNe와 AGB 항성에서 시간에 따라 변화하는 먼지와 금속을 은하간 매질(ISM)에 주입하는 것을 추적한다.
• 3–8 M☉ 질량 범위의 다양한 중심 붕괴 초신성 유형과 AGB 항성에 대해 별도의 수확율을 포함한다.
• 먼지 파괴는 초신성 충격파를 통해 모델링되며, 각 초신성 잔재물이 끌고 온 ISM 질량 M_cl로 매개변수화된다.
• 초기 질량 함수(IMF)는 Salpeter, 질량 집중형, 상부 집중형, Larson 형식으로 다양하게 변형하여 IMF 민감도를 평가한다.
• 은하의 초기 가스 질량은 5×10¹⁰에서 1.3×10¹² M☉ 범위로 다양하게 설정하여 질량 의존성 테스트를 수행한다.
• 일부 모델에 초거대 블랙홀(SMBH) 성장을 포함하며, 질량 합성으로 인해 이용 가능한 가스가 감소하고 먼지 질량에 영향을 줄 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초신성(SNe)이 400 Myr 이내에 10⁸ M☉ 이상의 먼지를 생성하기 위해 필요한 IMF와 먼지 생산 효율은 무엇인가?
• RQ2 초신성 충격파에 의한 먼지 파괴는 고적도 은하의 최종 먼지 질량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 AGB 항성만으로도 초기 고적도 은하의 관측된 먼지 질량을 설명할 수 있는가?
• RQ4 은하의 초기 가스 질량은 그의 먼지 질량 진화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 초거대 블랙홀(SMBH) 성장은 거대 별폭발 은하의 먼지 함량에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 초기 가스 질량이 1–5×10¹¹ M☉인 은하는 400 Myr 이내에 먼지 질량이 10⁸ M☉을 초과하도록 충분히 질량이 크다.
• 상부 집중형 IMF는 높은 초신성 충격파 파괴 민감도에도 불구하고, 특히 높은 초신성 먼지 수확율과 결합될 경우 먼지 생성을 최대화한다.
• 초기 200 Myr 동안은 초신성(SNe)이 먼지 봉제의 주요 기여자이며, 높은 초신성 효율을 통해 10⁸ M☉의 먼지를 생성할 수 있다.
• AGB 항성만으로는 먼지 파괴가 무시 가능하고 초신성 효율이 낮을 경우를 제외하고는 400 Myr 이내에 10⁸ M☉ 이상의 먼지를 생성할 수 없다.
• 초신성 충격파에 의한 먼지 파괴는 총 먼지 질량을 크게 감소시키며, 특히 높은 초신성 비율을 가진 상부 집중형 IMF 시나리오에서 가장 강한 감소 효과를 보인다.
• SMBH 성장은 저질량 은하에서 먼지 질량을 최대 약 50%까지 감소시킬 수 있으나, 이는 저질량 항성에 대한 IMF를 선호하는 경우에만 해당하며, 거대 시스템이나 상부 집중형 IMF에서는 영향을 미치지 않는다.