[논문 리뷰] PHANGS-MUSE: The H II region luminosity function of local star-forming galaxies

Francesco Santoro, Kathryn Kreckel외 31명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 17.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 126인용 수 69

한 줄 요약

이 연구는 19개의 근접한 나선파란 은하에서 67 pc 공간 해상도로 분석한 PHANGS-MUSE 조사에서 23,000개의 해상된 H II 영역을 활용해, 처음으로 대규모 은하간 H II 영역 Hα 등급함수(LF)를 제시한다. LF 기울기 α = −1.73 ± 0.15는 항성 형성률 표면 밀도(ΣSFR)가 증가함에 따라 감소하며, 이는 고밀도 가스에서 젊은 항성 군집화가 강화되기 때문이며, 나선파와 간극 영역 간의 차이는 나선파가 분자구름 질량 대비 대비를 증폭시킨다는 것을 시사한다. 또한 이온화 파라미터의 차이는 H II 영역의 연령 기반 진화를 시사한다.

ABSTRACT

We use an unprecedented sample of about 23,000 HII regions detected at an average physical resolution of 67pc in the PHANGS-MUSE sample to study the extragalactic HII region Ha luminosity function (LF). Our observations probe the star-forming disk of 19 nearby spiral galaxies with low inclination and located close to the star formation main sequence at z=0. The mean LF slope $\alpha$ in our sample is =1.73 with a $\sigma$ of 0.15. We find that $\alpha$ decreases with the galaxy's star formation rate surface density and argue that this is driven by an enhanced clustering of young stars at high gas surface densities. Looking at the HII regions within single galaxies we find that no significant variations occur between the LF of the inner and outer part of the star-forming disk, whereas the LF in the spiral arm areas is shallower than in the inter-arm areas for six out of the 13 galaxies with clearly visible spiral arms. We attribute these variations to the spiral arms increasing the molecular clouds arm--inter-arm mass contrast and find suggestive evidence that they are more evident for galaxies with stronger spiral arms. Furthermore, we find systematic variations in $\alpha$ between samples of HII regions with high and low ionization parameter q and argue that they are driven by the aging of HII regions.

연구 동기 및 목표

• 사용 가능한 통계적 힘과 공간 해상도로 은하간 H II 영역 Hα 등급함수(LF)를 측정하기 위해.
• 전체 은하 성질(예: ΣSFR, 중금속 농도, 형상)과 국소 환경(나선파 대비 간극)이 LF 기울기 α에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• LF 기울기의 변동성이 항성 형성 군집화, 피드백, 또는 H II 영역의 노화와 같은 물리적 과정에 의해 유도되는지 확인하기 위해.
• ALMA 및 HST 데이터와의 비교를 통해 H II 영역 LF를 기초 항성 질량 함수(IMF)와 항성 형성 효율성과 연결하기 위해.

제안 방법

• MUSE 적층 스펙트로스코피를 사용하여 19개의 근접한 나선파란 은하에서 약 67 pc 해상도로 23,000개의 H II 영역을 탐지하고 특성화하였다.
• 히스토그램 기반 편향을 피하기 위해, 분할 없이 최대우도추정(MLE)을 적용하여 H II 영역 LF를 피팅하였다.
• 연령 의존적 진화 영향을 탐색하기 위해 이온화 파라미터 q로 H II 영역을 분류하였다.
• 은하 영역 간(LF 기울기 비교: 내부/외부 디스크, 나선파 대비 간극), ΣSFR, 중금속 농도, 형상과의 상관관계를 분석하였다.
• 완전성과 혼잡도 영향을 검토하기 위해 시뮬레이션된 H II 영역 목록을 사용하여 LF 측정의 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하의 항성 형성률 표면 밀도(ΣSFR)가 증가함에 따라 H II 영역 Hα 등급함수 기울기 α는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 시각적으로 나선파가 있는 은하에서 나선파 영역과 간극 영역 간 LF 기울기의 차이는 무엇을 원인으로 하는가?
• RQ3 이온화 파라미터 q의 차이는 H II 영역의 연령과 진화 상태와 어떻게 관련되는가?
• RQ4 기체상 중금속 농도와 먼지 함량은 H II 영역 LF에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ5 LF 기울기의 변동성이 항성 형성 군집화 또는 피드백 시간 스케일과 연결될 수 있는가?

주요 결과

• 평균 H II 영역 Hα 등급함수 기울기는 α = −1.73 ± 0.15로, 유사한 은하에 대한 이전 연구와 일치한다.
• LF 기울기 α는 ΣSFR이 증가함에 따라 감소(기울기가 완만해짐)하며, 이는 높은 항성 형성 표면 밀도에서 밝은 H II 영역의 상대적 수가 많아짐을 시사한다.
• 이 경향은 고밀도 가스에서 젊은 항성 군집화가 강화됨에 기인하며, 항성 형성 효율성이 증가한다는 이론적 예측을 지지한다.
• 내부 및 외부 디스크 영역 간 LF 기울기에 유의미한 차이가 없음을 발견하여, 반경 방향 기울기에서 항성 형성 물리 법칙이 균일하다는 것을 시사한다.
• 나선파가 있는 은하에서는 나선파 영역에서 간극 영역보다 LF가 더 완만한 경향이 있으며, 이는 나선파 밀도파에 의해 분자구름 질량 대비가 증가하기 때문일 것이다.
• 높은 이온화 파라미터 q를 가진 H II 영역은 낮은 q를 가진 영역보다 더 완만한 LF를 보이며, 이는 고q 영역이 더 젊고 덜 진화된 상태임을 시사한다. 이는 연령이 이온화 파라미터 변화의 주요 원인임을 나타낸다.