[논문 리뷰] High-resolution, 3D radiative transfer modeling : I. The grand-design spiral galaxy M51

Ilse De Looze, J. Fritz외 21명|Research Explorer (The University of Manchester)|2014. 09. 12.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 185인용 수 50

한 줄 요약

이 연구는 다중 파장 관측에서 유도된 항성 및 먼지 분포를 포함한 몽테카를로 코드 SKIRT를 사용하여 M51은행형 나선은하에 대한 고해상도 3차원 복사전달 모델을 제시한다. 이는 젊은 항성(≲100 Myr)이 총 적외선 먼지 가열의 63%를 기여하며, 노령화된 항성 인구는 37%를 기여함을 드러내며, 오래된 인구는 더 긴 적외선 및 밀리미터파 대역에서 점점 더 중요한 기여를 한다.

ABSTRACT

Context: Dust reprocesses about half of the stellar radiation in galaxies. The thermal re-emission by dust of absorbed energy is considered driven merely by young stars and, consequently, often applied to trace the star formation rate in galaxies. Recent studies have argued that the old stellar population might anticipate a non-negligible fraction of the radiative dust heating. Aims: In this work, we aim to analyze the contribution of young (< 100 Myr) and old (~ 10 Gyr) stellar populations to radiative dust heating processes in the nearby grand-design spiral galaxy M51 using radiative transfer modeling. High-resolution 3D radiative transfer (RT) models are required to describe the complex morphologies of asymmetric spiral arms and clumpy star-forming regions and model the propagation of light through a dusty medium. Methods: In this paper, we present a new technique developed to model the radiative transfer effects in nearby face-on galaxies. We construct a high-resolution 3D radiative transfer model with the Monte-Carlo code SKIRT accounting for the absorption, scattering and non-local thermal equilibrium (NLTE) emission of dust in M51. The 3D distribution of stars is derived from the 2D morphology observed in the IRAC 3.6 μm, GALEX FUV, Hα and MIPS 24 μm wavebands, assuming an exponential vertical distribution with an appropriate scale height. The dust geometry is constrained through the far-ultraviolet (FUV) attenuation, which is derived from the observed total-infrared-to-far-ultraviolet luminosity ratio. The stellar luminosity, star formation rate and dust mass have been scaled to reproduce the observed stellar spectral energy distribution (SED), FUV attenuation and infrared SED. (abridged)

연구 동기 및 목표

• 근접한 나선은하에서 젊고 오래된 항성 인구의 상대 기여를 먼지 가열에 대해 정량화하기 위해.
• 비대칭적인 나선다리에서 복잡한 먼지 차폐 및 빛 전파를 포괄하지 못하는 2차원 모델의 한계를 해결하기 위해.
• 3차원 기하학과 국소 비평형(Non-Local Thermal Equilibrium, NLTE) 먼지 방출을 통합함으로써 먼지 에너지 균형 모델링의 정확도를 향상시키기 위해.
• 중간 수준의 항성 형성 활동을 보이는 은하에서 총 적외선 방출이 항성 형성률 추정자로 신뢰할 수 있는지 평가하기 위해.
• 특정 항성 형성률(sSFR)과 젊은 항성이 기여하는 먼지 가열 비율 간의 경험적 관계를 유도하기 위해.

제안 방법

• 몽테카를로 코드 SKIRT를 사용하여 항성 빛 흡수, 산란 및 NLTE 먼지 방출을 시뮬레이션하는 3차원 복사전달 모델을 구축하였다.
• IRAC 3.6 µm, GALEX FUV, Hα 및 MIPS 24 µm 대역에서 관측된 2차원 형태를 바탕으로, 지수형 수직 스케일 높이를 가정하여 3차원 항성 분포를 유도하였다.
• 관측된 총 적외선 대비 적외선 외부 자외선 복사율 비율에서 유도된 FUV 감쇠를 사용하여 먼지 기하학을 제약 조건으로 하였다.
• 관측된 항성 스펙트럼 에너지 분포(SED), FUV 감쇠 및 적외선 SED를 재현하기 위해 항성 복사율, 항성 형성률 및 먼지 질량을 스케일링 하였다.
• 에너지 균형을 확보하기 위해, 원격 적외선 및 밀리미터파 관측 결과와 모델을 검증하였다.
• 다양한 파장 대역에서 젊은 항성이 기여하는 먼지 가열 비율과 특정 항성 형성률(sSFR) 간의 상관관계를 분석하기 위해 통계 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 M51에서 먼지 가열의 몇 퍼센트가 젊은 항성(≲100 Myr)과 노령화된 항성 인구(∼10 Gyr)에 의해 공급되는가?
• RQ2 다양한 적외선 및 밀리미터파 대역에서 젊은 항성과 오래된 항성의 먼지 가열 기여 비율은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 장파장 적외선 및 밀리미터파 대역에서 오래된 항성 인구가 먼지 가열에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 관측된 먼지 가열 비율과 특정 항성 형성률(sSFR) 간의 상관관계를 바탕으로 다른 은하의 먼지 가열 기여를 일반화할 수 있는가?
• RQ5 왜 2차원 복사전달 모델은 고경사도 은하에서 먼지 에너지 예산을 균형 잡지 못하는가? 3차원 모델링은 이를 어떻게 해결하는가?

주요 결과

• 3차원 복사전달 모델은 M51의 관측된 원격 적외선 및 밀리미터파 방출을 성공적으로 재현하였으며, 흡수된 항성 복사와 열적 먼지 재방출 간의 에너지 균형을 확인하였다.
• 젊은 항성(≲100 Myr)은 총 적외선 방출(8–1000 µm)에 기여하는 먼지 가열 에너지의 63%를 제공하며, 노령화된 항성 인구는 37%를 기여한다.
• 개별 적외선 파장 대역에서 젊은 항성의 기여가 모든 파장에서 지배적이지만, 점차 장파장으로 갈수록 감소하며, 오래된 항성 인구가 무시할 수 없는 가열원이 된다.
• 특정 항성 형성률(sSFR)과 젊은 항성이 기여하는 먼지 가열 비율 간에 밀접한 상관관계가 발견되어 다른 은하로의 외삽이 가능하다.
• log sSFR ≳ -9.75 인 경우 총 적외선 먼지 가열은 젊은 항성에 의해 지배되며, log sSFR ≲ -10.46 인 영역에서는 반으로 넘는 가열 기여가 주로 은하간 복사장(즉, 오래된 항성)에서 기인할 수 있다.
• 이 연구는 오래된 항성이 모든 적외선 대역에서 먼지 가열에 비할 만한 기여를 하며, 휘도가 낮거나 중간 활동을 보이는 은하에서 총 적외선 방출이 순수한 항성 형성률 추정자로 간주되는 가정을 도전한다.