[논문 리뷰] Modelling the spectral energy distribution of galaxies. I. Radiation fields and grain heating in the edge-on spiral NGC891

C. C. Popescu, A. Misiriotis외 3명|arXiv (Cornell University)|2000. 08. 06.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 1인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 원반형 성간 먼지 모델을 사용하여 경사진 나선은하 NGC891의 먼지가 가열되는 방식을 자성적으로 계산하는 복사전달 모델을 제시한다. 이는 적외선 및 밀리미터파 스펙트럼 에너지 분포를 재현하기 위해 이중 원판 먼지 모델을 사용한다. 연구 결과, 오래된 별과 젊은 별 인구만 포함된 표준 모델은 관측된 밀리미터파 밀도를 재현하지 못하지만, 흩어진 젊은 별 인구와 3.5 M☉/yr의 항성 형성률(SFR)을 가진 이중 먼지 원판 모델은 데이터를 잘 맞추며, 이는 먼지가 주로 젊은 별에 의해 가열된다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

We describe a new tool for the analysis of the UV to the sub-millimeter (sub-mm) spectral energy distribution (SED) of spiral galaxies. We use a consistent treatment of grain heating and emission, solve the radiation transfer problem for a finite disk and bulge, and self-consistently calculate the stochastic heating of grains placed in the resulting radiation field. We use this tool to analyse the well-studied nearby edge-on spiral galaxy NGC891. First we investigate whether the old stellar population in NGC891, along with a reasonable assumption about the young stellar population, can account for the heating of the dust and the observed far-infrared (FIR) and sub-mm emission. The dust distribution is taken from the model of Xilouris et al. (1999), who used only optical and near-IR observations to determine it. We have found that such a simple model cannot reproduce the SED of NGC891, especially in the sub-mm range. It underestimates by a factor of 2-4 the observed sub-mm flux. A number of possible explanations exist for the missing sub-mm flux. We investigate a few of them and demonstrate that one can reproduce the observed SED in the FIR and the sub-mm quite well, as well as the observed radial profile at 850 microns. For the models calculated we give the relative proportion of the dust radiation powered by the old and young stellar populations as a function of FIR/sub-mm wavelength. In all models we find that the dust is predominantly heated by the young stellar population.

연구 동기 및 목표

• 자외선에서 밀리미터파 영역까지의 나선은하 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 자성적으로 모델링하기 위한 방법을 개발하는 것.
• NGC891의 오래된 별과 젊은 별 인구가 관측된 먼지 방출을 설명할 수 있는지 조사하는 것.
• 표준 모델에서 부족한 밀리미터파 방출의 원인을 규명하고 타당한 물리적 설명을 제안하는 것.
• 원반형 및 밀리미터파 영역에서 오래된 별과 젊은 별 인구가 먼지 가열에 기여하는 비율을 정량화하는 것.

제안 방법

• Kylafis & Bahcall(1987)의 방법을 사용하여 유한한 원판과 부울지의 복사전달 방정식을 해석하며, 각각 가시광선/적외선 및 자외선 복사장에 대해 별도로 처리한다.
• 오래된/중간 연령의 별에 대해 Xilouris 등(1999)의 결과를 기반으로 매끄러운 지수형 원판과 de Vaucouleurs 부울지 모델을 사용하며, 이는 가시광선 및 적외선 영상 자료에 기반한다.
• 젊은 별 인구를 스케일 높이 90 pc인 매끄러운 지수형 원판으로 모델링하며, 항성 형성률(SFR)을 자유 매개변수로 둔다.
• 자외선 광자 중 별 형성 복합체에서 국소적으로 흡수되는 비율 F를 복사장에 기여하는 분산 간성 복사장에 비해 자유 매개변수로 간주한다.
• 인구 합성 모델(Mateu & Bruzual 2000)을 사용하여 SFR과 자외선 방출을 연결하고, 얻어진 복사장에서의 확률적 입자 가열을 계산한다.
• 예측된 SED를 관측 데이터(밀리미터파 방출 및 850 μm 반경 프로파일 포함)와 비교하여 모델의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NGC891의 오래된 별과 젊은 별 인구가 함께 기여하는 복사장이 관측된 적외선 및 밀리미터파 SED를 재현할 수 있는가?
• RQ2 단일 먼지 원판을 가진 표준 모델이 왜 NGC891의 관측된 밀리미터파 방출을 재현하지 못하는가?
• RQ3 누락된 밀리미터파 방출을 설명할 수 있는 먼지 및 별 인구의 물리적 구성은 무엇인가?
• RQ4 원반형 및 밀리미터파 영역에서 오래된 별과 젊은 별의 먼지 가열 기여도는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 관측된 850 μm 반경 프로파일은 이중 먼지 원판 모델로 재현될 수 있는가?

주요 결과

• 단일 먼지 원판을 사용하는 표준 모델(오래된 별 인구와 젊은 별 인구만 포함)은 밀리미터파 방출을 2–4배 정도 과소평가한다.
• 분산된 젊은 별 인구와 3.5 M☉/yr의 항성 형성률을 가진 이중 먼지 원판 모델은 관측된 SED와 850 μm 반경 프로파일을 잘 재현한다.
• F = 0.28(즉, 별 형성 복합체에서 국소적으로 흡수되는 자외선 광자의 비율이 28%)인 모델이 관측 결과와 가장 잘 일치한다.
• 모든 모델에서 원반형 및 밀리미터파 영역에서 먼지의 대부분은 젊은 별 인구에 의해 가열된다.
• 밀리미터파 방출의 불일치는 입자 방출성능을 높여도 해결되지 않으며, 이는 SED 피크가 더 긴 파장으로 이동하게 하여 60–100 μm 방출을 맞추기 위해 더 높은 SFR이 필요로 하기 때문이다.
• 이중 먼지 원판 모델은 현재의 관측 데이터와 일치하지만, 이중 원판 모델과 덩어리진 먼지 시나리오를 구분하기 위해서는 초당 초해상도의 밀리미터파 망원경이 필요하다.