[논문 리뷰] Molecular Gas, Dust and Star Formation in Galaxies: II. Dust properties and scalings in \sim\ 1600 nearby galaxies

Gustavo Orellana, N. M. Nagar D. Elbaz외 8명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 28.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 3인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 WISE, IRAS, Planck 및 SCUBA의 다중 파장 광도 측정 자료를 사용하여 약 1,600개의 근접은하계에서 먼지 성질을 분석하며, Draine & Li 먼지 모델을 사용해 SED를 피팅하여 먼지 질량, 발광도 및 온도를 도출한다. L_IR, M_dust 및 T_cold 간의 상관관계를 규명하여 '먼지 평면'을 수립하고, 제한된 데이터에서 먼지 및 가스 성질을 추정하기 위한 강력한 경험적 관계를 제공하며, 먼지 온도가 알려진 경우 오차가 0.05 dex로 감소한다.

ABSTRACT

We aim to characterize the relationship between dust properties. We also aim to provide equations to estimate accurate dust properties from limited observational datasets. We assemble a sample of 1,630 nearby (z<0.1) galaxies-over a large range of Mstar, SFR - with multi-wavelength observations available from wise, iras, planck and/or SCUBA. The characterization of dust emission comes from SED fitting using Draine & Li dust models, which we parametrize using two components (warm and cold ). The subsample of these galaxies with global measurements of CO and/or HI are used to explore the molecular and/or atomic gas content of the galaxies. The total Lir, Mdust and dust temperature of the cold component (Tc) form a plane that we refer to as the dust plane. A galaxy's sSFR drives its position on the dust plane: starburst galaxies show higher Lir, Mdust and Tc compared to Main Sequence and passive galaxies. Starburst galaxies also show higher specific Mdust (Mdust/Mstar) and specific Mgas (Mgas/Mstar). The Mdust is more closely correlated with the total Mgas (atomic plus molecular) than with the individual components. Our multi wavelength data allows us to define several equations to estimate Lir, Mdust and Tc from one or two monochromatic luminosities in the infrared and/or sub-millimeter. We estimate the dust mass and infrared luminosity from a single monochromatic luminosity within the R-J tail of the dust emission, with errors of 0.12 and 0.20dex, respectively. These errors are reduced to 0.05 and 0.10 dex, respectively, if the Tc is used. The Mdust is correlated with the total Mism (Mism \propto Mdust^0.7). For galaxies with Mstar 8.5

연구 동기 및 목표

• 대규모 근접은하계 샘플에서 먼지 성질(질량, 발광도, 온도)을 특성화하고 이를 전체 은하 성질과 연관짓는 것.
• 먼지 및 가스 함량(중성 및 분자)과 항성 형성 방식 간의 관계를 조사하는 것.
• 제한된 광도 데이터를 사용해 먼지 및 가스 성질을 정확하게 추정하는 경험적 추정식을 개발하는 것.
• 먼지 온도와 항성 형성 효율이 먼지-가스 척도관계를 형성하는 데 미치는 역할을 명확히 하는 것.
• 대규모 조사 및 은하의 진화 연구에 활용할 수 있도록 校정된 척도관계를 제공하는 것.

제안 방법

• WISE, IRAS, Planck 및 SCUBA의 균일한 다중 파장 광도 자료를 바탕으로 z < 0.1 인 1,629개의 근접은하계 샘플을 구축하였다.
• Draine & Li (2007) 먼지 모델을 사용해 관측된 SED를 피팅하였으며, 따뜻한(45–70 K) 및 차가운(18–31 K) 두 성분의 먼지로 구성되어 있다.
• SED 피팅을 통해 총 적외선 발광도(L_IR), 먼지 질량(M_dust), 차가운 성분의 온도(T_cold) 등의 주요 먼지 파rameter를 도출하였다.
• 은하 전체 성질과의 상관관계를 탐색: 항성 질량(M_*), 항성 형성률(SFR), 특이 항성 형성률(sSFR), 총 가스 질량(M_gas = M_HI + M_H2).
• 특히 850 μm에서의 단일 또는 이원 단일 파장 발광도로부터 L_IR, M_dust 및 T_cold를 추정하기 위한 경험적 척도관계를 개발하였다.
• 산란 및 상관 분석을 통해 추정식의 불확도를 정량화하였으며, 독립적 측정치와의 검증을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 근접은하계 샘플에서 먼지 질량, 발광도 및 온도는 항성 형성 모드(sSFR)와 어떻게 상관관계를 가지는가?
• RQ2 레이일리-지앙 꼬리 영역의 단일 단일 파장 발광도가 총 적외선 발광도 및 먼지 질량을 정확히 추정할 수 있으며, 이에 따른 오차는 무엇인가?
• RQ3 항성 질량과 항성 형성 효율에 따라 먼지 대 항성 질량 비율은 어떻게 변하는가?
• RQ4 먼지 질량은 분자 또는 중성 가스 질량 각각보다 총 가스 질량(중성 + 분자)과 더 강하게 상관관계를 가지는가?
• RQ5 850 μm에서 총 ISM 질량로의 변환 계수(α_850)의 산란성과 상관관계는 어떻게 되며, 이는 L_IR 또는 sSFR에 따라 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• L_IR, M_dust 및 T_cold로 정의된 '먼지 평면'은 항성 형성 폭발 은하(sSFR이 높은 은하)가 메인 시퀀스나 수동 은하보다 더 높은 먼지 질량, 발광도 및 더 차가운 먼지 온도를 가짐을 보여준다.
• 먼지 질량은 분자 또는 중성 가스 질량 각각보다 총 ISM 질량(M_ISM ∝ M_dust^0.7)과 더 강하게 상관관계를 가진다.
• 단일 850 μm 단일 파장 발광도로부터 먼지 질량과 L_IR를 추정할 수 있으며, 오차는 각각 0.12 dex 및 0.20 dex 이며, T_cold가 알려진 경우 각각 0.05 dex 및 0.10 dex로 감소한다.
• 850 μm 발광도에서 총 ISM 질량로의 변환 계수 α_850는 큰 산란성(rms = 0.29 dex)을 보이며 L_IR와는 약한 상관관계를 보여, 일반적인 변환 계수는 존재하지 않음을 시사한다.
• 고특이 먼지 질량(M_dust/M_*)을 가진 은하는 가스가 풍부하고 높은 SFR를 나타내며, 먼지 함량, 가스 저축 및 항성 형성 활동 간의 강력한 연관성을 확인한다.
• 이 연구는 보정된 DL07 모델 파arameter와 경험적 관계를 제공하여 제한된 광도 측정 자료로부터 먼지 및 가스 성질을 추정할 때의 불확도를 크게 감소시켰다.