[논문 리뷰] HST study of Lyman-alpha emission in star-forming galaxies: the effect of neutral gas flows

D. Kunth, Mas-Hesse, J. M.외 4명|arXiv (Cornell University)|1998. 02. 19.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 1인용 수 11

한 줄 요약

이 HST GHRS 연구에서 8개의 HII은하를 대상으로 한 분석 결과, 중성 가스의 파란편이(최대 200 km/s)가 라이만-알파 복사가 탈출할 수 있도록 해주며, 공명산산분포가 파장이 더 긴 쪽으로 이동함으로써 흡수를 감소시킴을 밝혀냈다. 중성 가스의 속도 구조는 열량 밀도나-dust보다도 라이만-알파 탐지 가능성에 더 큰 영향을 미치며, 이는 고적색편이 별형성률 추정치에 기반한 라이만-알파 조사에서의 가정을 도전한다.

ABSTRACT

We present high dispersion HST GHRS UV spectroscopic observations of 8 HII galaxies covering a wide range of metallicities and physical properties. We have found Lyalpha emission in 4 galaxies with blueshifted absorption features, leading to PCygni like profiles in 3 of them. In all these objects the OI and S II absorption lines are also blueshifted with respect to the ionized gas, indicating that the neutral gas is outflowing in these galaxies with velocities up to 200 km/s.The rest of the sample shows broad damped Lyalpha absorption profiles centered at the wavelength corresponding to the redshift of the H II emitting gas. We therefore find that the velocity structure of the neutral gas in these galaxies is the driving factor that determines the detectability of Lyalpha in emission. Relatively small column densities of neutral gas with even very small dust content would destroy the Lyalpha emission if this gas is static with respect to the ionized region where Lyalpha photons originate. The situation changes dramatically when most of the neutral gas is velocity-shifted with respect to the ionized regions because resonant scattering by neutral hydrogen will be most efficient at wavelengths shorter than the Lyalpha emission, allowing the Lyalpha photons to escape (at least partially). This mechanism complements the effect of porosity in the neutral interstellar medium discussed by other authors. The anisotropy of these gas flows and their dependence on the intrinsic properties of the violent star-forming episodes might explain the apparent lack of correlation between metallicity and the frequency of occurence and strength of Lyalpha emission in star-forming galaxies. Attempts to derive the comoving star-formation rate at high redshifts from Lyalpha emission searches are highly questionable.

연구 동기 및 목표

• 다양한 금속성을 가진 항성 형성 은하에서 라이만-알파 복사가 지배하는 물리적 조건을 조사하기 위해.
• 강한 이온화된 가스 복사가 존재하는 데도 라이만-알파 복사가 자주 탐지되지 않는 이유를 규명하기 위해.
• 중성 가스 운동학과-dust이 라이만-알파 탈출을 억제하거나 가능하게 하는 역할을 평가하기 위해.
• 고적색편이 항성 형성의 추정치를 위해 라이만-알파 복사의 신뢰성 있는 추적자로 사용할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 8개의 HII 은하에 대해 다양한 금속성과 물리적 성질을 가진 고분해능 HST GHRS UV 스펙트로스코피를 사용하여 관측하였다.
• 라이만-알파, OI, S II 선의 스펙트럼 프로파일을 분석하여 이온화된 가스와 중성 가스 성분 간의 속도 이동을 측정하였다.
• 중성 가스의 속도 구조를 스펙트럼에서 라이만-알파 복사의 존재 또는 부재와 연관지어 분석하였다.
• 공명산산분포 메커니즘을 모델링하여, 파란편이 중성 가스가 산산분포를 파장이 더 긴 쪽으로 이동시켜 라이만-알파 복사의 재흡수를 줄임으로써 탈출을 가능하게 하는 원리를 설명하였다.
• 은하간성 매질의 다공성과-dust 투과율에 관한 기존 모델과 결과를 비교하였다.
• 통계적 분석을 통해 라이만-알파 복사의 빈도와 강도가 금속성만으로 설명되는 것이 아니라 중성 가스 운동학과의 연관성이 높음을 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 이온화된 가스 복사가 존재하는 데도 항성 형성 은하에서 왜 라이만-알파 복사가 자주 탐지되지 않을까?
• RQ2 중성 가스의 운동학은 라이만-알파 광자의 탐지 가능성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 중성 가스의-dust 함량과 열량 밀도가 정적 또는 유출 상태일 때 라이만-알파 탈출에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 중성 가스 유출이 금속성과 라이만-알파 복사 강도 사이의 관찰된 상관관계 부재를 설명할 수 있는가?
• RQ5 고적색편이에서 공동운동 별형성률 추정치를 위해 라이만-알파 광도가 얼마나 신뢰할 수 있는 추적자인가?

주요 결과

• 8개 은하 중 4개에서 라이만-알파 복사가 관측되었으며, 파란편이 흡수를 동반한 P Cygni 유사 프로파일을 보이며 중성 가스의 유출을 시사하였다.
• 모든 4개의 복사가 관측된 은하에서 OI 및 S II 흡수선은 이온화된 가스에 비해 파장이 파란편으로 이동되어, 최대 200 km/s의 속도로 중성 가스의 유출을 확인하였다.
• 남은 4개의 은하는 이온화된 가스의 시스템적 적색편이에 중심을 두고 넓은 덤프드 라이만-알파 흡수 프로파일을 보이며, 정적 또는 저속도 중성 가스를 시사하였다.
• 중성 가스의 속도 구조가 라이만-알파 탐지 가능성에 가장 중요한 결정 요소로 밝혀졌으며, 이는-dust과 열량 밀도의 영향을 초월하였다.
• 유출 중인 가스에서의 공명산산분포는 산산분포를 복사선의 파장이 더 긴 쪽으로 이동시켜 재흡수를 줄임으로써 라이만-알파 광자가 탈출할 수 있도록 한다.
• 이러한 결과는 고적색편이 항성 형성률 추정치를 라이만-알파 조사로부터 유도하는 것이 가스 운동학에 매우 강하게 의존하므로 매우 의심스럽다는 것을 시사한다.