[논문 리뷰] HERschel Observations of Edge-on Spirals (HEROES). I: Far-infrared morphology and dust mass determination

J. Verstappen, J. Fritz외 12명|ORCA Online Research @Cardiff (Cardiff University)|2013. 05. 14.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 91인용 수 27

한 줄 요약

이 연구는 먼지 형태와 먼지 질량을 분석하기 위해 경사진 나선은하의 허셸 적외선 원격 탐사 결과를 제시한다. 세 갈래의 은하에서 수직으로 확장된 발광이 관측되었으며, 특히 NGC 4013에서는 투영 효과와 무관한 진정한 수직적 구조를 보였다. 파장에 따라 증가하는 척도 높이의 원인은 온도 기울기보다는 해상도 효과로 기인한다고 제안한다. 먼지 질량 불일치와 더 작은 먼지 척도 높이 사이에 암시적인 상관관계가 발견되어, 밀도가 높은 디스크에서 더 높은 덩어리성 구조를 갖는다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Context. Edge-on spiral galaxies with prominent dust lanes provide us with an excellent opportunity to study the distribution and properties of the dust within them. The HEROES project was set up to observe a sample of seven large edge-on galaxies across various wavelengths for this investigation. Aims. Within this first paper, we present the Herschel observations and perform a qualitative and quantitative analysis on them, and we derive some global properties of the far infrared and submillimetre emission. Methods. We determine horizontal and vertical profiles from the Herschel observations of the galaxies in the sample and describe the morphology. Modified black-body fits to the global fluxes, measured using aperture photometry, result in dust temperatures and dust masses. The latter values are compared to those that are derived from radiative transfer models taken from the literature. Results. On the whole, our Herschel flux measurements agree well with archival values. We find that the exponential horizontal dust distribution model often used in the literature generally provides a good description of the observed horizontal profiles. Three out of the seven galaxies show signatures of extended vertical emission at 100 and 160 μm at the 5σ level, but in two of these it is probably due to deviations from an exactly edge-on orientation. Only for NGC 4013, a galaxy in which vertically extended dust has already been detected in optical images, we can detect vertically extended dust, and the derived scaleheight agrees with the value estimated through radiative transfer modelling. Our analysis hints at a correlation between the dust scaleheight and its degree of clumpiness, which we infer from the difference between the dust masses as calculated from modelling of optical data and from fitting the spectral energy distribution of Herschel datapoints.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 허셸 관측을 통해 경사진 나선은하의 적외선(저온) 먼지 형태를 연구하기 위해.
• 광학적 흡수로부터 유도된 방사전달 모델링과 함께 적외선 복사 스펙트럼에 대한 수정 블랙바디 피팅을 통해 먼지 질량을 산정하기 위해.
• 수직으로 확장된 적외선 복사 발광의 기원을 조사하고, 이는 진정한 3차원 먼지 분포를 반영하는지 아니면 투영 효과에 기인한 것인지 평가하기 위해.
• 광학적 흡수로부터 유도된 먼지 질량과 적외선 복사로부터 유도된 먼지 질량 간의 불일치와 먼지 척도 높이 사이의 잠재적 상관관계를 탐색하여 간성간성 매질의 덩어리성 구조를 조사하기 위해.
• 더 긴 파장에서의 해상도 제한이 파장 의존적인 척도 높이 증가를 유도하는지 테스트하기 위해.

제안 방법

• 허셸 PACS 및 SPIRE 기구가 70, 100, 160 μm 파장에서 일곱 개의 경사진 나선은하를 관측하였다.
• 적외선 복사 스펙트럼에 수정 블랙바디 피팅을 적용하여 먼지 질량과 온도를 유도하였다.
• 광학 이미지 기반의 방사전달 모델링을 사용하여 흡수로부터 유도된 먼지 질량을 산정하였으며, 이는 적외선로부터 유도된 질량과의 비교를 가능하게 하였다.
• 적외선 이미지와 방사전달 모델링 양측에서 수직 먼지 척도 높이를 측정하여 일관성을 평가하였다.
• 모델 출력값과 관측 데이터를 비교하기 위해 강력한 피팅 알고리즘을 사용하였으며, 적외선 복사 러닝스피드 부족 현상을 보완하기 위해 사후적으로 밀집된 먼지 성분을 포함시켰다.
• 통계적 분석을 통해 샘플 전반에 걸쳐 먼지 질량 불일치와 먼지 척도 높이 사이의 상관관계를 테스트하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 경사진 나선은하에서 관측된 수직으로 확장된 적외선 복사 발광은 진정한 3차원 먼지 구조에 기인한 것인지 아니면 완벽하게 경사진 자세가 아니어서 발생하는 투영 효과에 기인한 것인가?
• RQ2 더 긴 적외선 파장에서 관측된 먼지 척도 높이 증가 현상은 물리적 온도 기울기의 결과인지 아니면 기기 해상도의 영향 때문인가?
• RQ3 광학적 흡수로부터 유도된 먼지 질량과 적외선 복사로부터 유도된 먼지 질량 간의 불일치와 은하의 먼지 척도 높이 사이에 상관관계가 존재하는가?
• RQ4 방사전달 모델에서 관측된 적외선 복사 러닝스피드 부족 현상은 밀집된 먼지 성분을 포함시킴으로써 설명될 수 있는가? 이는 관측된 먼지 형태와 어떻게 관련되는가?
• RQ5 질량 불일치로부터 유추된 먼지 덩어리성 구조의 정도는 은하 디스크 내 먼지의 공간 농도와 상관관계가 있는가?

주요 결과

• 세 갈래의 은하(NGC 4217, NGC 5907, NGC 4013)에서 5σ 수준으로 수직으로 확장된 적외선 복사 발광이 관측되었으며, 특히 NGC 4013는 투영 효과와 무관한 진정한 수직적 구조를 보였다.
• 더 긴 적외선 파장에서 관측된 먼지 척도 높이 증가 현상은 물리적 온도 기울기보다는 이미지 해상도 감소에 기인한 것으로 기인되었다.
• 광학적 흡수로부터 유도된 먼지 질량과 적외선 복사 피팅으로부터 유도된 먼지 질량 간의 불일치와 더 작은 먼지 척도 높이 사이에 암시적인 상관관계가 발견되어, 더 두꺼운 디스크에서 더 높은 덩어리성 구조를 갖는다는 것을 시사한다.
• 먼지 질량 불일치는 광학적 흡수도에서 완전히 포착되지 않은 밀집된 비해상도 먼지 성분의 존재를 반영할 수 있으며, 이러한 성분을 사후적으로 포함시켜야 하는 모델과 일치한다.
• 방사전달 모델링은 표준 모델에서의 적외선 복사 러닝스피드 부족 현상을 밀집된 먼지 복사 성분을 추가함으로써 해결할 수 있음을 확인하였으며, 이는 고표면적 밀도 영역에서 덩어리진 간성간성 매질의 존재를 지지한다.
• 결과는 더 얇고 농축된 디스크에서는 먼지가 더 농축되고 덩어리져 있으며, 더 두껍고 확장된 시스템에서는 더 부드러운 분포를 보인다는 시나리오와 일관된다.