[논문 리뷰] On the nature of diffuse ionized gas in galaxies -- I The contribution of dust scattering to diffuse line emission

Y. Ascasíbar, G. Guidi외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 26.

Astrophysics and Star Formation Studies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 은하계 근처 은하에서 먼지 산란이 확산 Hα 발광에 기여하는 정도를 밀도 기반의 우주론적 유체역학 모델을 기반으로 한 복사전달 시뮬레이션을 통해 조사한다. 결과적으로 산란된 빛은 밀집된 H II 영역에서 방출되는 Hα 복사의 1–2%에 불과하며, 이는 확산 이온화 가스(DIG) 성분이 총 Hα 복사의 50% 미만을 차지함을 시사하며, 먼지 산란은 관측된 선 밝기의 보정으로서 소량이지만 무시할 수 없는 영향을 미친다는 것을 의미한다.

ABSTRACT

In this work, we investigate the contribution of dust scattering to the diffuse H-alpha emission observed in nearby galaxies. As initial conditions for the spatial distribution of HII regions, gas, and dust, we take three Milky Way-like galaxies from state-of-the-art cosmological hydrodynamical simulations that implement different prescriptions for star formation, feedback, and chemical enrichment. Radiative transfer has been solved a posteriori, using the publicly-available Monte Carlo code Sunrise to take into account dust absorption and scattering of the H-alpha photons, originating exclusively from the HII regions. No contribution from recombinations in the diffuse ionized gas (DIG) component is explicitly or implicitly included in our model. Our main result is that the flux arising from scattered light is of the order of 1-2 per cent of the H-alpha flux coming directly from the HII regions. Building upon previous studies, we conclude that the DIG contributes lass than 50 per cent of the total H-alpha emission.

연구 동기 및 목표

• 근처 은하에서 먼지 산란이 확산 Hα 발광에 기여하는 정도를 정량화하는 것.
• 관측된 확산 선 발광의 몇 퍼센트가 진짜 확산 이온화 가스(DIG)가 아닌 산란된 빛에서 기인하는지 평가하는 것.
• 현실적인 은하 시뮬레이션을 사용하여 H II 영역과 DIG가 총 Hα 빛의 세기에 기여하는 비율을 분리하는 것.
• 산란 효과와 알려진 이온화 광자 누출 비율을 결합하여 확산 이온화 가스의 물리적 기원을 제약하는 것.

제안 방법

• Hα 광자 파손을 은하간 먼지와 기체를 통해 모델링하기 위해 공개된 몬테카를로 코드 SUNRISE를 사용한 복사전달 시뮬레이션을 수행하였다.
• 은하의 초기 조건은 별 형성, 피드백, 화학 농도 조절 방식이 다른 세 가지 우주론적 유체역학 시뮬레이션(Aquarius A, B, C)에서 유래하였다.
• Hα 발광은 오직 밀집된 H II 영역에서 기인하는 것으로 모델링되었으며, DIG 성분 내 재결합 기여는 고려하지 않았다.
• 기체, 먼지, H II 영역의 공간 분포를 사용하여 산란된 빛의 밝기와 직접 H II 영역 발광을 비교하였다.
• 합성 이미지에서 밀집된 H II 영역와 확산 발광을 분리하기 위해 특수 알고리즘을 적용하여 밝기 분해를 수행하였다.
• 면면 방향(면면 및 편면)에 따른 산란 밝기(F_sca)와 H II 영역 밝기(F_HII)의 비율을 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 근처 은하에서 관측된 확산 Hα 발광의 몇 퍼센트가 진짜 확산 이온화 가스가 아닌 먼지 산란 때문인가?
• RQ2 은하의 방향, 형태, 금속성에 따라 산란된 빛의 기여가 어떻게 변화하는가?
• RQ3 먼지 산란이 밀집된 H II 영역과 확산 성분 간의 관측된 밝기 비율에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ4 Hα 및 금지선의 관측된 밝기 기울기를 산란만으로 설명할 수 있는가, 아니면 진짜 DIG 이온화가 필요하는가?
• RQ5 산란 기여도가 DIG를 유지하는 데 필요한 이온화 광자 누출 비율에 어떤 제약을 둔다?

주요 결과

• 먼지에 의해 산란된 Hα 광자의 밝기는 밀집된 H II 영역에서 직접 방출된 밝기의 약 1–2%이며, 다양한 은하 간에 거의 변화가 없었다.
• 면면 은하의 경우 산란된 빛이 약간의 총 관측 Hα 밝기를 증가시키지만, 편면 은하의 경우 흡수로 인해 최대 30%의 밝기 감소가 발생하였다.
• 산란된 빛의 총 Hα 빛의 세기에 대한 기여는 DIG 성분에 비해 무시무시할 정도로 작으며, F_sca/F_DIG ≈ 0.015 × (1 - f_DIG)/f_DIG 로 표현된다.
• 만약 DIG가 총 Hα 발광의 50% 기여한다면, 산란된 빛은 DIG에 비해 약 1–2% 기여할 뿐이며, 이는 이전 연구의 하한선과 일치한다.
• 결과적으로 대부분의 Hα 발광이 밀집된 H II 영역에서 기인함을 시사하며, 이는 일부 모델에서 이전에 가정된 것보다 낮은 이온화 광자 누출 비율(f_DIG ≈ 0.1–0.2)을 의미한다.
• 은하의 방향에 따라 F_sca/F_HII 비율에 체계적인 추세는 발견되지 않았지만, 개별 사례에서는 먼지 분포와 기하학적 구조에 따라 변동이 있었다.