[논문 리뷰] High-resolution, 3D radiative transfer modelling III. The DustPedia barred galaxies

Angelos Nersesian, Sam Verstocken외 18명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 07.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 131인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 네 개의 근접한 납작한 은하(NGC 1365, M 83, M 95, M 100)에서 항성 집단에 의한-dust 가열을 정량화하기 위해 3차원 몬테카를로 복사 전달 모델링을 사용한다. 결과적으로 젊은 항성이 총-dust 가열의 평균 59%를 기여하며, 노령 항성이 지배하는 바(53%) 및 부두(38%) 영역에서는 상당한 감소가 관찰된다. 연구 결과는 젊은 항성 비율과 특정 항성 형성률 간의 강력한 연관성을 확인하며, 적외선 방출이 순수한 항성 형성 추적자라는 가정에 도전한다.

ABSTRACT

Context: Dust in late-type galaxies in the local Universe is responsible for absorbing approximately one third of the energy emitted by stars. It is often assumed that dust heating is mainly attributable to the absorption of UV and optical photons emitted by the youngest (<= 100 Myr) stars. Consequently, thermal re-emission by dust at FIR wavelengths is often linked to the star-formation activity of a galaxy. However, several studies argue that the contribution to dust heating by much older stars might be more significant. Advances in radiation transfer (RT) simulations finally allow us to actually quantify the heating mechanisms of diffuse dust by the stellar radiation field. Aims: As one of the main goals in the DustPedia project, we have constructed detailed 3D stellar and dust RT models for nearby galaxies. We analyse the contribution of the different stellar populations to the dust heating in four face-on barred galaxies: NGC1365, M83, M95, and M100. We aim to quantify the fraction directly related to young stars, both globally and on local scales, and to assess the influence of the bar on the heating fraction. Results: We derive global attenuation laws for each galaxy and confirm that galaxies of high sSFR have shallower attenuation curves and weaker UV bumps. On average, 36.5% of the bolometric luminosity is absorbed by dust. We report a clear effect of the bar structure on the radial profiles of the dust-heating fraction by the young stars, and the dust temperature. We find that the young stars are the main contributors to the dust heating, donating, on average ~59% of their luminosity to this purpose throughout the galaxy. This dust-heating fraction drops to ~53% in the bar region and ~38% in the bulge region where the old stars are the dominant contributors to the dust heating. We also find a strong link between the heating fraction by the young stars and the sSFR.

연구 동기 및 목표

• 근접한 납작한 은하에서 젊은 항성 집단과 노령 항성 집단이-dust 가열에 기여하는 정도를 정량화하는 것.
• 바 구조가-dust 가열 비율과-dust 온도의 반경 분포에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 전체 SED 모델링에 활용하기 위해 노령 항성 집단의-dust 가열 기여도를 校정하는 것.
• 노령 항성이 비소외 수준으로 기여하는 점을 고려함으로써 항성 형성률 추정의 정확도를 향상시키는 것.

제안 방법

• 일관된 프레임워크를 사용하여 2차원 이미지에서 항성과-dust의 3차원 분포를 재구성하였다.
• SKIRT 3D 몬테카를로 복사 전달 코드를 사용하여 임의의 3차원 기하 구조에서-dust의 흡수, 산란 및 열재방출을 시뮬레이션하였다.
• SED 피팅 및 공간 분포 기반으로 항성 집단을 젊은(≤100 Myr) 및 노령(1 Gyr 이상) 성분으로 분리하였다.
• 전체 및 반경 분할 영역에서 볼로메트릭 빛의 강도와 감쇠 법칙을 유도하여 가열 비율을 평가하였다.
• 특정 항성 형성률(sSFR)을 젊은 항성이 기여하는-dust 가열 비율과 관련지어 분석하였다.
• dust 온도 프로파일을 매핑하고 은하 성분 전체에서 항성 집단 기여도와 연관지어 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 납작한 은하에서-dust 가열의 어떤 비율이 젊은 항성 집단에 기인하고, 어떤 비율이 노령 항성 집단에 기인하는가?
• RQ2 바 구조의 존재가-dust 가열 비율과-dust 온도의 반경 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 특정 항성 형성률(sSFR)이 젊은 항성이 기여하는-dust 가열 비율과 어느 정도 상관관계가 있는가?
• RQ4 이 은하들에서 감쇠 곡선과 UV 볼록부는 sSFR과 형태학적 구조에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 SED 피팅에 활용하기 위해 노령 항성 집단의-dust 가열 기여도를 신뢰성 있게 校정할 수 있는가?

주요 결과

• 모든 은하 샘플에서 볼로메트릭 빛의 평균 36.5%가-dust에 의해 흡수되며, 이는 Sb-Sc 유형 은하에 대한 이전 연구와 일치한다.
• 젊은 항성 집단은 총-dust 가열의 평균 59%를 기여하며, 각각 NGC 1365(68%), M 83(64%), M 95(47%), M 100(57%)의 전역 비율을 보였다.
• 바 영역에서는 젊은 항성 기여도가 53%로 감소하고, 부두 영역에서는 38%로 감소하여 노령 항성이-dust 가열을 지배한다.
• 젊은 항성이 존재하는 중심 영역과 나선 팔에서는-dust 온도가 높고, 디스크 영역에서는 노령 항성 집단이 지배하여 온도가 낮다.
• 젊은 항성이 기여하는-dust 가열 비율과 특정 항성 형성률(sSFR) 사이에 강력한 상관관계가 확인되었으며, 이는 M 51, M 31, M 81에서의 이전 결과를 지지한다.
• sSFR이 높은 은하에서는 감쇠 곡선이 얕고 UV 볼록부가 약해지며, 이는 항성 집단 조합과 기하 구조가-dust 재처리에 미치는 영향을 반영한다.