[논문 리뷰] Molecular gas filaments and fallback in the ram pressure stripped Coma spiral NGC 4921

W. J. Cramer, Jeffrey D. P. Kenney외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 25.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 86인용 수 31

한 줄 요약

이 연구는 CARMA와 ALMA를 이용한 고해상도 CO(1-0) 및 CO(2-1) 관측을 통해, 코마 은하단에 위치한 램 압력 탈가스가 일어난 은하 NGC 4921에서 분자의 가스 후퇴에 대한 최초의 관측적 증거를 제시한다. 연구는 주로 앞서서 압축된 분자 가스, 킬로파섹 규모의 필라멘트(가스 디스크와 운동학적으로 연결됨), 그리고 디스크 중면 뒤에 위치한 세 개의 블루쉬프트된 분자 구름을 규명하였으며, 이는 탈가스된 가스의 중력적 후퇴를 시사하며 기존의 박리 모델에 도전하고, 필라멘트 형성에 자기장 결합의 역할을 제기한다.

ABSTRACT

We investigate the effects of ram pressure on the molecular ISM in the disk of the Coma cluster galaxy NGC 4921, via high resolution CO observations. We present 6" resolution CARMA CO(1-0) observations of the full disk, and 0.4" resolution ALMA CO(2-1) observations of the leading quadrant, where ram pressure is strongest. We find evidence for compression of the dense interstellar medium (ISM) on the leading side, spatially correlated with intense star formation activity in this zone. We also detect molecular gas along kiloparsec-scale filaments of dust extending into the otherwise gas stripped zone of the galaxy, seen in HST images. We find the filaments are connected kinematically as well as spatially to the main gas ridge located downstream, consistent with cloud decoupling inhibited by magnetic binding, and inconsistent with a simulated filament formed via simple ablation. Furthermore, we find several clouds of molecular gas $\sim 1-3$ kpc beyond the main ring of CO that have velocities which are blueshifted by up to 50 km s$^{-1}$ with respect to the rotation curve of the galaxy. These are some of the only clouds we detect that do not have any visible dust extinction associated with them, suggesting that they are located behind the galaxy disk midplane and are falling back towards the galaxy. Simulations have long predicted that some gas removed from the galaxy disk will fall back during ram pressure stripping. This may be the first clear observational evidence of gas re-accretion in a ram pressure stripped galaxy.

연구 동기 및 목표

• 코마 은하단에 위치한 거의 면대향 원반형 은하 NGC 4921에서 램 압력 탈가스가 분자 간성간 매질(ISM)에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 강한 램 압력 작용 지역, 특히 앞서서 쪽에서의 분자 가스의 구조, 운동학, 궁극적 운명을 규명하기 위해.
• 가스 후퇴 예측을 시뮬레이션과 비교하기 위해, 먼지 흡수와 관련이 없는 운동학적으로 구분된 블루쉬프트된 분자 가스 덩어리의 존재를 찾기 위해.
• 관측된 필라멘트가 분리된 가스 덩어리의 박리에 의해 형성되는지, 아니면 자기장에 의해 억제된 가스 덩어리 분리에 의해 형성되는지 평가하기 위해.
• 압축된 가스와 후퇴한 가스가 탈가스된 은하에서 별 형성 유지 및 억제 지연에 기여하는 역할을 정량화하기 위해.

제안 방법

• NGC 4921 전체 디스크의 6.5" 해상도 CARMA CO(1-0) 관측을 수행하여 분자 가스 분포 및 표면 빛의 밝기 분포를 매핑하기 위해.
• 앞서서 쪽의 0.45" 해상도 ALMA CO(2-1) 관측을 수행하여 220–170 pc 해상도에서 필라멘트의 운동학 및 질량 프로파일을 해상화하기 위해.
• HST를 통한 먼지 필라멘트와 젊은 항성 군집과의 공간적 및 운동학적 상관관계 분석을 수행하기 위해.
• 관측된 필라멘트 질량 및 속도 프로파일을 램 압력 탈가스 시뮬레이션에서의 박리된 구름 꼬리와 비교하여 형성 메커니즘을 평가하기 위해.
• CO 발광-먼지 흡수비를 이용하여 시선 방향 위치를 추정하고, 은하의 회전곡선보다 25–50 km s⁻¹ 낮은 속도를 가지는 블루쉬프트된 분자 가스 덩어리의 식별 및 측정을 수행하기 위해.
• CASA 및 고유의 IDL/파이썬 도구(예: maskmoment, mommaps)를 사용하여 ALMA 및 CARMA 데이터 큐브의 감쇠 및 분석을 수행하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NGC 4921의 앞서서 쪽에서 램 압력으로 인해 분자 가스가 압축되었는가? 그리고 이 압축 현상이 별 형성 강도 증가와 공간적으로 관련이 있는가?
• RQ2 앞서서 탈가스된 영역에서 관측된 킬로파섹 규모의 먼지 및 분자 가스 필라멘트는 분리된 구름에서 유래한 박리 꼬리인가, 아니면 주된 가스 디스크와 운동학적·공간적으로 연결되어 있는가?
• RQ3 먼지 흡수 없이 블루쉬프트된 속도를 가지는 분자 가스 덩어리가 존재하는가? 이는 디스크 중면 뒤에 위치해 있으며 후퇴 중임을 시사한다.
• RQ4 관측된 필라멘트의 특성(질량, 표면 밀도, 운동학)이 램 압력 탈가스의 유체역학적 시뮬레이션 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 자기장이 가스 덩어리 분리 억제 및 지속 가능한 고표면밀도 필라멘트 형성에 기여하는 역할은 무엇인가?

주요 결과

• CO(1-0)의 피크 표면 빛의 밝기는 램 압력이 가장 강한 앞서서 쪽에 위치해 있어, 분자 가스의 압축을 시사한다.
• 2 kpc 길이, 0.5 kpc 너비, 질량 4.3 × 10⁷ M⊙, 평균 표면 밀도 44 M⊙ pc⁻²인 필라멘트는 공간적·운동학적으로 주 CO 고리와 연결되어 있어, 분리된 박리 꼬리가 아니라는 것을 시사한다.
• 관측된 필라멘트는 시뮬레이션된 박리 꼬리보다 훨씬 높은 표면 밀도와 더 균일한 질량 프로파일을 보이며, 이는 자기장에 의해 결합된 것으로 보이며 단순한 박리에 의해 형성된 것이 아니라는 것을 시사한다.
• 속도가 은하의 회전곡선보다 25–50 km s⁻¹ 낮은 블루쉬프트된 세 개의 분자 가스 덩어리(표면 밀도 25–55 M⊙ pc⁻²)는 먼지 흡수 없이 관측되었으며, 이는 디스크 중면 뒤에 위치해 있으며 은하로 후퇴 중임을 시사한다.
• 이 후퇴 가스에서의 CO 발광-먼지 흡수비는 주 CO 고리보다 최소 10배 높아, 디스크 중면 뒤에 위치해 있음을 지지한다.
• 시뮬레이션 비교에 기반해, 블루쉬프트된 속도 잔여치는 수평 방향 운동보다 수직 후퇴에 의해 가장 잘 설명된다.