[논문 리뷰] Investigating hot gas in the halos of two massive spirals: Observations and cosmological simulations

J. Rasmussen, Jesper Sommer‐Larsen외 5명|arXiv (Cornell University)|2006. 10. 30.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 4인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 질량이 큰 나설파악성은 NGC 5746 주위에 처음으로 잠정적인 열린 X선 방출 성층을 제시하며, 이 성층의 빛의 세기는 약 ~7×10³⁹ erg s⁻¹이며, 약 20 kpc까지 연장되며, 외부에서 유입된 뜨거운 기체의 빛의 냉각과 일치하는 바, 디스크에서 유출되는 기체가 아니라며, 천체물리적 시뮬레이션은 이러한 유입 시나리오를 확인하며, 뜨거운 성층이 질량이 큰 나선파악성에서 바리온 연료의 저축소로 기능할 수 있음을 뒷받침한다.

ABSTRACT

Models of disk galaxy formation commonly predict the existence of an extended reservoir of hot gas surrounding massive spirals at low redshift. As a test of these models, we have obtained X-ray and optical data of the two massive edge-on spirals NGC 5746 and NGC 5170, in order to investigate the amount and origin of hot gas in their disks and halos. Chandra observations of NGC 5746 reveal evidence for diffuse X-ray emission with a total luminosity of ~7 x 10^39 erg/s surrounding this galaxy out to at least ~20 kpc from the disk, whereas an identical study of the less massive NGC 5170 fails to detect any extraplanar X-ray emission. Unlike the case for other disk galaxies with detected X-ray halos, the halo emission around NGC 5746 is not accompanied by extraplanar H-alpha or radio emission, and there is no evidence for significant nuclear or starburst activity in the disk. In contrast to these other cases, the emission around NGC 5746 therefore appears to arise from the cooling of externally accreted material rather than from disk outflows. To verify this idea, we present results of cosmological simulations of galaxy formation and evolution, showing our observations to be in good agreement with expectations for cosmological accretion, while also confirming that the X-ray halos of other spirals do not fit well into an accretion scenario. We find that the estimated cooling rate of hot halo gas around NGC 5746 would provide sufficient material for star formation in the disk to proceed at its present rate. This lends support to the idea that a supply of hot ambient gas is potentially available as fuel for star formation in massive, nearby spirals, and suggests that accretion of hot gas could be important for maintaining the stellar disks of such galaxies.

연구 동기 및 목표

• 우주론적 은하 형성 모델에서 예측한 바와 같이 질량이 큰 나선파악성이 확장된 뜨거운 기체 성층을 가지고 있는지 테스트하기 위해.
• 두 개의 질량이 큰 경사진 나선파악성인 NGC 5746와 NGC 5170의 성층에서 흩어진 X선 방출의 기원을 규명하기 위해.
• 관측된 X선 방출의 기원으로서 뜨거운 기체의 유입과 디스크 기반 유출 중 어느 것이 더 적합한지 구분하기 위해.
• 뜨거운 성층 기체가 부족한 바리온 질량이 있는 은하에서 차지하는 기여도를 평가하기 위해.

제안 방법

• NGC 5746와 NGC 5170에서 Chandra X선 관측을 수행하여 흩어진 원반 외부 X선 방출을 탐지하기 위해.
• 은하의 별 형성 또는 유출과 관련된 이온화된 기체를 찾기 위해 광학 Hα 영상 촬영을 수행하였다.
• 열 플라즈마 모델을 사용하여 X선 방출의 스펙트럼 분석을 수행하여 온도와 중금속 농도를 추정하였다.
• 우주론적 은하 형성 시뮬레이션을 사용하여 관측된 X선 특성과 뜨거운 성층 유입에 대한 예측을 비교하였다.
• 뜨거운 성층 기체의 냉각 속도를 추정하고, NGC 5746의 디스크에서 관측된 별 형성 속도와 비교하였다.
• 비관측의 통계적 한계를 적용하여 NGC 5170에서의 비관측의 유의미성과 시뮬레이션과의 일치성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NGC 5746의 성층에서 흩어진 X선 방출이 디스크 유출이 아니라 외부에서 들어온 뜨거운 기체의 냉각과 일치하는가?
• RQ2 Hα 또는 전파 방출과 관련이 없는 상황에서 NGC 5746의 X선 성층 방출의 기원은 무엇인가?
• RQ3 우주론적 시뮬레이션은 관측된 NGC 5746의 뜨거운 성층의 X선 빛의 세기와 온도를 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ4 뜨거운 성층 기체의 냉각 속도는 NGC 5746의 디스크에서 현재의 별 형성 속도를 충당할 수 있는가?
• RQ5 뜨거운 성층 기체는 질량이 큰 나선파악성에서 부족한 바리온 질량의 어느 정도를 차지하는가?

주요 결과

• NGC 5746의 흩어진 X선 방출은 총 0.3–2 keV 빛의 세기가 약 ~7×10³⁹ erg s⁻¹이며, 디스크에서 최소 20 kpc까지 연장된다.
• X선 스펙트럼은 온도가 약 ~0.5 keV이고 중금속 농도가 Z ≤ 0.1 Z⊙인 열 플라즈마 모델로 가장 잘 맞추어지며, 확인을 위해 더 깊은 데이터가 필요하다.
• 관련된 Hα 또는 전파 방출은 탐지되지 않아, 별 형성이나 유출이 X선 방출의 원천이 아니라는 것을 배제한다.
• NGC 5170에서 X선 방출이 비관측되었으며, 3σ 상한선은 약 ~3×10³⁹ erg s⁻¹이며, 시뮬레이션 예측과 일치한다.
• 우주론적 시뮬레이션은 관측된 NGC 5746의 X선 특성과 뛰어난 일치를 보이며, 성층 기체의 기원이 유입임을 지지한다.
• 뜨거운 성층 기체의 추정된 냉각 속도는 NGC 5746의 디스크에서 현재의 별 형성 속도를 충당할 수 있을 정도로 충분하여, 바리온 연료의 타당한 공급원임을 시사한다.