[논문 리뷰] Observations of Ultraluminous Infrared Galaxies with the Infrared Spectrograph on the Spitzer Space Telescope II: The IRAS Bright Galaxy Sample

L. Armus, V. Charmandaris외 14명|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|2006. 10. 06.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 IRAS Bright Galaxy Sample 소속 10개의 초광명 적외선 은하(ULIRG)에 대한 Spitzer IRS 중적외선 스펙트럼(5–38 μm)을 제시하며, 극한의 먼지 흡수(A_V 최대 ≥78 mag), 변동성이 큰 실리케이트 투과도(τ_9.7 ≥ 4.2), 그리고 수증기 얼음과 탄화수소 흡수를 통해 보호된 분자구 nucl이 존재하는 증거를 밝혀냈다. 주요 발견은 강력한 AGN 활동과 일치하지 않는 낮은 [NeV]/[NeII] 비율로, 고 redshift ULIRG 분류에서 진단 방법 간 괴리가 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We present spectra taken with the Infrared Spectrograph on Spitzer covering the 5-38 micron region of the ten Ultraluminous Infrared Galaxies (ULIRGs) found in the IRAS Bright Galaxy Sample. Among the BGS ULIRGs, we find a factor of 50 spread in the rest-frame mid to far-infrared spectral slope. The 9.7 micron silicate optical depths range from less than 0.4 more than 4.2, implying line of sight extinctions of A(V) ~ 8 - 78 mag. There is evidence for water ice and hydrocarbon absorption and C2H2 and HCN absorption features in four and possibly six of the 10 BGS ULIRGs, indicating shielded molecular clouds and a warm, dense ISM. We have detected [NeV] emission in three of the ten BGS ULIRGs, at flux levels of 5-18E-14 erg/cm^2/sec and [NeV] 14.3/[NeII] 12.8 line flux ratios of 0.12-0.85. The remaining BGS ULIRGs have limits on their [NeV]/[NeII] line flux ratios which range from less than 0.15 to less than 0.01. Among the BGS ULIRGs, the AGN fractions implied by either the [NeV]/[NeII] or [OIV]/[NeII] line flux ratios (or their upper limits) are significantly lower than implied by the MIR slope or EQW of the 6.2 micron PAH feature. Fitting the SEDs, we see evidence for hot (T > 300K) dust in five of the BGS ULIRGs, with the fraction of hot dust to total dust luminosity ranging from ~1-23%, before correcting for extinction. When integrated over the IRAC-8, IRS blue peakup, and MIPS-24 filter bandpasses, the IRS spectra imply very blue colors for some ULIRGs at z ~ 1.3. This is most extreme for sources with significant amounts of warm dust and deep silicate absorption.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 Spitzer IRS 분광법을 활용해 가장 가까운, 가장 밝은 ULIRG의 중적외선 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 특성화하기 위해.
• 매장된 AGN를 식별하기 위한 중적외선 진단법(예: [NeV]/[NeII], PAH 등가 폭)의 신뢰성을 평가하기 위해.
• 먼지 온도, 흡수, 분자구 구름의 보호 조건 등 간성간 매질의 물리적 조건을 조사하기 위해.
• z ~ 1.3에서의 깊은 탐색에서 강한 실리케이트 흡수의 광학적 색상에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 다양한 도구(선비율 대비 SED 기울기 대비 PAH 특징)로 유도된 AGN 비율 추정치 간 괴리를 해결하기 위해.

제안 방법

• Spitzer 우주 망원경를 사용해 IRAS Bright Galaxy Sample 내 10개 ULIRG에 대해 고해상도 IRS 스펙트럼(5–38 μm)을 확보하였다.
• 먼지 흡수 및 온도 구조를 추론하기 위해 스펙트럼 기울기(5.5–60 μm)와 실리케이트 투과도(τ_9.7)를 측정하였다.
• 보호된 밀도 높은 분자가스 존재를 추론하기 위해 수증기 얼음, 탄화수소, C2H2, HCN 흡수 특징을 식별하고 정량화하였다.
• AGN 기여도를 추정하기 위해 AGN 및 성간폭발성 샘플과 비교하여 선량비 [NeV]/[NeII]와 [OIV]/[NeII]를 측정하였다.
• 가열된 먼지 비율(T > 300 K)과 총 먼지 복사능을 추정하기 위해 SED에 먼지, PAH, 가우시안 성분을 피팅하였다.
• z ~ 1.3에서의 광학적 색상 편향을 평가하기 위해, 복사색상(IRS 파란 피크업/MIPS 24 μm 및 IRAC 8 μm/MIPS 24 μm)을 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가장 가까운 ULIRG에서 먼지 흡수 범위와 실리케이트 투과도는 어떻게 변동하는가? 이는 중적외선 진단에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 중적외선 선비율([NeV]/[NeII], [OIV]/[NeII])이 매장된 AGN 존재를 ULIRG에서 신뢰성 있게 나타내는 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 PAH 등가 폭과 스펙트럼 기울기 진단법은 ULIRG에서 AGN 비율 추정에 어떻게 비교되는가?
• RQ4 이 시스템에서 가열된 먼지(T > 300 K)는 총 적외선 복사능에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 강한 실리케이트 흡수로 인해 z ~ 1.3에서의 깊은 탐색에서 광학적 색상이 어떻게 편향되는가?

주요 결과

• BGS ULIRG에서의 고정된 5.5–60 μm 스펙트럼 기울기는 50배의 변동성을 보이며, 먼지 온도와 기하학적 구조의 광범위한 다양성을 시사한다.
• 실리케이트 투과도는 τ_9.7 ≤ 0.4에서 τ_9.7 ≥ 4.2까지 변동하며, 이는 A_V ~ 8 mag에서 A_V ≥ 78 mag까지의 시각적 흡수를 의미한다.
• 수증기 얼음과 탄화수소 흡수 특징이 4~6개의 ULIRG에서 검출되어, 보호된 밀도 높은 분자구름 존재를 시사한다.
• 세 개의 ULIRG에서 [NeV] 발광이 관측되었으며, 선량은 5–18 × 10⁻¹⁴ erg cm⁻² s⁻¹이고, [NeV]/[NeII] 비율은 0.12–0.85이었다. 그러나 대부분의 경우 상한선은 ≤0.01–0.15였다.
• [NeV]/[NeII] 또는 [OIV]/[NeII]로 유도된 AGN 비율은 MIR 기울기나 6.2 μm PAH 등가 폭로 유도된 비율보다 유의미하게 낮았다.
• 흡수 보정 이전에, 다섯 개의 ULIRG에서 가열된 먼지(T > 300 K)가 총 먼지 복사능의 1–23% 기여하였으며, 깊은 실리케이트 흡수를 보이는 천체에서 가장 높은 기여를 하였다.