[논문 리뷰] PAHs as a tracer of star formation?

E. Peeters, H. W. W. Spoon외 1명|arXiv (Cornell University)|2004. 06. 07.

Spectroscopy and Laser Applications인용 수 201

한 줄 요약

이 연구는 은하계 및 은하외부 천체에서 중간적외선(MIR) 및 적외선(FIR) 스펙트럼 진단을 사용하여 다환화합물(PAH) 방출 특징이 별 형성 활동을 어떻게 추적하는지 평가한다. 연구 결과, PAH는 대규모 O형 항성보다 B형 항성과 더 잘 관련되어 있으며, 정상적이고 성폭발은 은하의 PAH 방출은 노출된 광분해영역(PDR)과 유사한 반면, 초고광도적외선은하(ULIRG)는 종종 은폐된 특성을 보이며, 뚜렷한 FIR 방출을 보이는 다양한 스펙트럼 특성을 띤다.

ABSTRACT

IR emission bands at 3.3, 6.2, 7.7, 8.6 and 11.3 um are generally attributed to IR fluorescence from (mainly) FUV pumped PAHs. As such, they trace the FUV stellar flux and are a measure of star formation. We examined the IR spectral characteristics of Galactic star forming regions, normal and starburst galaxies, AGNs and ULIRGs. The goal is to analyze if PAH bands are a good qualitative and/or quantitative tracer of star formation and hence the application of PAH bands as a diagnostic in order to identify the dominant processes contributing to the IR emission from Seyfert's and ULIRGs. We develop a MIR/FIR diagnostic and compare it to known diagnostics, with these also applied to the Galactic sample. This diagnostic is based on the FIR normalized 6.2 um PAH flux and the FIR normalized 6.2 um continuum flux. The Galactic sources form a sequence spanning a range of 3 orders of magnitude, from embedded compact HII regions to exposed PDRs and the (D)ISM. The variation in the 6.2 um PAH/continuum ratio is relative small. Normal and starburst galaxies ressemble exposed PDRs. While Seyfert-2's coincide with the starburst trend, Seyfert-1's are displaced by at least a factor 10 in 6.2 um continuum flux. ULIRGs show a diverse spectral appearance (AGN hot dust continuum, starburst-like or strong dust obscuration in the nucleus). ULIRGs also seems to have more prominent FIR emission than either starburst galaxies or AGNs. We discuss the observed variation in the Galactic sample in view of the evolutionary state and the PAH/dust abundance and the use of PAHs as quantitative tracers of star formation activity. We find that PAHs may be better suited as a tracer of B stars, which dominate the Galactic stellar energy budget, than as a tracer of massive star formation (O stars).

연구 동기 및 목표

• 다양한 천체물리적 환경에서 PAH 방출 특징이 별 형성 활동을 정량적으로 추적할 수 있는지 평가하기.
• 은하계 및 은하외부 샘플을 기반으로 6.2 µm PAH 및 연속 스펙트럼 비율을 활용한 새로운 MIR/FIR 진단도표를 개발하고 검증하기.
• 기존 도구(Genzel et al. 1998; Laurent et al. 2000)와 동일한 은하계 및 은하외부 샘플을 사용하여 새로운 MIR/FIR 도표의 진단 능력을 비교 분석하기.
• 다양한 H II 영역 유형과 간성 환경에서 관측된 PAH 방출의 변동성에 기여하는 진화적 및 조성적 요인을 조사하기.
• 특히 ULIRG 및 AGN 지배 시스템에서 PAH가 정량적 별 형성 추적자로서 적합한지 평가하기.

제안 방법

• FIR로 정규화된 6.2 µm PAH 방출량과 FIR로 정규화된 6.2 µm 연속 스펙트럼 비율을 사용하여 새로운 MIR/FIR 진단도표를 구축하였다.
• 압축형 H II 영역, PDR, 확산 간성 매질의 시야를 포함한 21개의 은하계 대질량 별 형성 영역의 MIR 스펙트럼을 분석하였다.
• 동일한 은하계 및 은하외부 샘플을 대상으로 새로운 MIR/FIR 도표의 진단 성능을 Genzel et al. (1998) 및 Laurent et al. (2000)의 도구와 비교하였다.
• PAH 빛의 분포와 스펙트럼 에너지 분포를 사용하여 정상/성폭발 은하, 세이퍼트, QSO 및 ULIRG를 비교하였다.
• 은하계 샘플에서 관측된 스펙트럼 변동성의 원인으로 진화 상태와 PAH/-dust 농도의 기여도를 평가하였다.
• 은폐된 시스템(예: Arp 220)에서 PDR 기여도를 평가하기 위해 PDR 미세구조선(예: [O I] 63 µm, [C II] 158 µm)을 보조 진단 도구로 통합하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PAH 방출 특징은 은하에서 별 형성 활동을 신뢰할 수 있는 정량적 추적자로 기능할 수 있는가?
• RQ2 은하계 H II 영역의 MIR/FIR 스펙트럼 특징은 은하외부 성폭발 은하 및 AGN와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 은하계 별 에너지 예산에서 PAH 특징은 B형 항성과 O형 항성 중 어느 쪽을 더 잘 추적하는가?
• RQ4 ULIRG는 왜 다양한 스펙트럼 형태를 보이며, 이는 주요 에너지원에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ5 기존 진단 도구와 비교할 때 새로운 MIR/FIR 진단도표는 AGN, 성폭발, PDR 지배 방출을 구분하는 데 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• 은하계 H II 영역에서 6.2 µm PAH 대 연속 스펙트럼 비율은 FIR로 정규화된 방출량의 범위가 3개 온도에 이르더라도 3배 이내로 변동하며, 이는 내재적 변동성이 낮음을 시사한다.
• Seyfert-1 은하의 6.2 µm 연속 스펙트럼 방출량은 Seyfert-2에 비해 최소 10배 이상 높으며, 이는 통합 모델과 방향 의존성 은폐와 일치한다.
• 정상 및 성폭발 은하는 특히 6.2 µm PAH 대 연속 스펙트럼 비율에서 노출된 PDR과 유사한 MIR 스펙트럼 특성을 보인다.
• ULIRG는 다양한 스펙트럼 형태를 보이며, 일부는 AGN 유사한 뜨거운 먼지 연속 스펙트럼을, 일부는 성폭발 유사한 스펙트럼을, 많은 경우 핵심 먼지 은폐가 뚜렷하다.
• ULIRG는 성폭발 은하나 AGN보다 더 뚜렷한 FIR 방출을 보이며, 이는 더 낮은 온도의 먼지 또는 확장된 방출 기여를 시사한다.
• PAH는 대규모 O형 항성보다 은하계 별 에너지 예산에서 지배적인 B형 항성과 더 잘 관련되어 있으며, 이는 PAH가 O형 항성이 지배하는 별 형성과 직접적으로 관련된다는 가정을 도전한다.