[논문 리뷰] Integral Field Spectroscopy based Hα sizes of local Luminous and Ultraluminous Infrared Galaxies. A Direct Comparison with high-z Massive Star Forming Galaxies

Santiago Arribas, L. Colina외 6명|arXiv (Cornell University)|2012. 02. 29.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 80인용 수 26

한 줄 요약

이 연구는 적색이동 z ~ 2인 고적성 질량을 가진 은하형성 은하(SFGs)와 유사한 H𝛼 빛의 강도와 물리적 척도를 가진 26개의 국지적 빛나는 및 초빛나는 적외선 은하(U/LIRGs)에서 적분장 스펙트로스코피를 사용하여 H𝛼 방출의 크기와 표면 빛의 세기를 직접 비교한다. 그 결과, 약 59%의 국지적 U/LIRGs가 극히 작고 빛나는 H𝛼 영역(r₁/₂ < 2 kpc)을 가지나, 상당수(~33%)는 고적성 SFGs만큼 넓게 퍼져 있음을 확인하여 크기만으로는 이를 구분할 수 없음을 시사한다. H𝛼 표면 밀도 관계에서는 다른 추적자들(예: TIR 표면 밀도)이 보여준 것처럼 극명한 차이(1000배 이상)보다는 약간의 차이(약 10배)만을 보이며, 이는 H𝛼가 더 일관되고 편향이 적은 비교 기준이 될 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Aims. We study the analogy between local U/LIRGs and high-z massive SFGs by comparing basic Hα structural characteristics, such as size, and luminosity (and SFR) surface density, in an homogeneous way (i.e. same tracer and size definition, similar physical scales). Methods. We use Integral Field Spectroscopy based Hα emission maps for a representative sample of 54 local U/LIRGs (66 galaxies). From this initial sample we select 26 objects with Hα luminosities (L(Hα)) similar to those of massive (i.e. M\ast \sim 10^10 M\odot or larger) SFGs at z \sim 2, and observed on similar physical scales. Results. The sizes of the Hα emitting region in the sample of local U/LIRGs span a large range, with r1/2(Hα) from 0.2 to 7 kpc. However, about 2/3 of local U/LIRGs with Lir &gt; 10^11.4 L\odot have compact Hα emission (i.e. r1/2 &lt; 2 kpc). The comparison sample of local U/LIRGs also shows a higher fraction (59%) of objects with compact Hα emission than the high-z sample (25%). This gives further support to the idea that for this luminosity range the size of the star forming region is a distinctive factor between local and distant galaxies of similar SF rates. However, when using Hα as a tracer for both local and high-z samples, the differences are smaller than the ones recently reported using a variety of other tracers. Despite of the higher fraction of galaxies with compact Hα emission, a sizable group (\sim 1/3) of local U/LIRGs are large (i.e. r1/2 &gt; 2 kpc). These are systems showing pre-coalescence merger activity and they are indistinguishable from the massive high-z SFGs galaxies in terms of their Hα sizes, and luminosity and SFR surface densities.

연구 동기 및 목표

• 동일한 물리적 추적자(H𝛼)와 크기 정의를 사용하여 국지적 U/LIRGs와 고적성 질량을 가진 은하형성 은하(SFGs) 간의 구조적 유사성을 평가하기 위해.
• 이전 연구에서 서로 다른 추적자(TIR, [CII] 등)를 사용하여 국지 및 고적성 시스템 간 표면 밝기의 극단적인 차이(예: 1000배 이상)를 보고한 데서 발생하는 모순을 해결하기 위해.
• 동일한 방법론으로 측정했을 때 국지적 U/LIRGs의 H𝛼 방출 크기와 표면 밝기가 실제로 고적성 SFGs와 다름없는지 확인하기 위해.
• 확장된 H𝛼 방출을 보이는 국지적 U/LIRGs가 고적성 SFGs와 동일한 구조적 특성을 보이는지 확인하여 공통된 물리적 메커니즘을 시사하기 위해.
• 특히 융합에 의해 촉진되는 은하형성의 맥락에서, 국지적 U/LIRGs와 고적성 SFGs를 구분하는 데 있어 극밀도와 표면 밀도의 역할을 정량화하기 위해.

제안 방법

• INTEGRAL/WHT 및 VIMOS/VLT 장치를 사용하여 66개의 국지적 U/LIRGs에 대해 고해상도 적분장 스펙트로스코피 데이터를 확보하였다.
• 적색이동 z ~ 2에서 질량 M⋆ ~ 10¹⁰ M⊙인 고적성 SFGs와 유사한 H𝛼 빛의 강도(L(H𝛼))를 가진 26개의 국지적 U/LIRGs를 선별하여 동일한 물리적 척도를 확보하였다.
• H𝛼 반광반경(r₁/₂)을 두 가지 독립된 방법(반면적 방법과 곡선 성장법/CoG 방법)을 사용하여 측정하였으며, 장치로 인한 넓어짐을 보정하기 위해 PSF를 탈구성하였다.
• H𝛼 빛의 강도와 크기 측정치로부터 H𝛼 빛의 강도 표면 밀도(ΣH𝛼) 및 은하형성률(SFR) 표면 밀도를 계산하였다.
• 동일한 정의와 물리적 척도를 사용하여 국지 및 고적성 샘플 간의 H𝛼 크기 및 표면 밀도 분포를 직접적으로 동일한 방식으로 비교하였다.
• 품질 플래그와 오차 보정(예: 해상도가 낮거나 노이즈가 많은 경우 30–50% 오차)을 적용하였으며, 강한 AGN 오염 또는 제한된 시야각(FoV)이 있는 물체는 제외하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 L(H𝛼)가 고적성 SFGs와 유사한 국지적 U/LIRGs의 H𝛼 크기는 고적성 질량을 가진 SFGs와 유의미하게 다를까?
• RQ2 동일한 추적자와 방법으로 측정했을 때, 국지적 U/LIRGs의 H𝛼 빛의 강도 표면 밀도(ΣH𝛼)는 고적성 SFGs와 어떻게 비교될까?
• RQ3 국지적 U/LIRGs 중 H𝛼가 극히 작고 빛나는 영역을 가진 비율(r₁/₂ < 2 kpc)은 얼마이며, 고적성 SFGs와 비교해보면 어떠한가?
• RQ4 H𝛼 반광반경이 2 kpc를 초과하는 국지적 U/LIRGs는 H𝛼 크기-빛의 강도 평면에서 고적성 SFGs와 구조적으로 구분되지 않을까?
• RQ5 TIR나 [CII]와 같은 다른 추적자들과 비교했을 때, H𝛼를 추적자로 사용했을 때 국지 및 고적성 시스템 간 표면 밝기의 차이가 어느 정도 감소하는가?

주요 결과

• 국지적 U/LIRGs의 H𝛼 반광반경(r₁/₂)은 0.2 kpc에서 7 kpc까지 넓은 범위를 보이며, L_IR > 10¹¹.⁴ L⊙인 약 2/3의 시스템에서 극히 작고 빛나는 방출(r₁/₂ < 2 kpc)을 보인다.
• 비교 샘플의 국지적 U/LIRGs 중 약 59%가 H𝛼가 극히 작고 빛나는 영역(r₁/₂ < 2 kpc)을 가지나, 고적성 SFG 샘플에서는 이 비율이 25%에 불과하여, 이는 극밀도 측면에서 유의미한 차이를 나타낸다.
• 국지적 시스템에서 극히 작고 빛나는 영역을 가진 비율이 높음에도 불구하고, 약 1/3(33%)의 국지적 U/LIRGs는 r₁/₂ > 2 kpc를 가지며, H𝛼 크기와 표면 밝기 측면에서 고적성 SFGs와 구조적으로 구분되지 않는다.
• L(H𝛼)–ΣH𝛼 평면에서 국지적 U/LIRGs와 고적성 SFGs의 대부분은 유사한 추세를 보이며, 국지적 U/LIRGs의 약 20–40%에서 표면 밀도의 차이가 약 10배 이내로 나타나, 다른 추적자들(예: >1000배)이 보여준 것보다는 상당히 감소된 차이를 보인다.
• 이전에 다른 추적자들(예: TIR, [CII])을 사용했을 때 보고된 것보다 국지 및 고적성 시스템 간 H𝛼 표면 밀도의 관측된 차이는 훨씬 작으며, 이는 H𝛼가 더 일관되고 편향이 적은 비교 기준이 될 수 있음을 시사한다.
• 확장된 H𝛼 방출을 보이는 국지적 U/LIRGs는 융합 전 단계의 활동을 보이며, 이러한 시스템이 질량을 가진 고적성 SFGs와 구조적·운동학적으로 유사할 수 있음을 지지한다.