[논문 리뷰] Physics of ULIRGs with MUSE and ALMA: The PUMA project

Michele Perna, Santiago Arribas외 9명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 19.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 135인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 MUSE 적층장역광학 및 ALMA 간섭계를 활용한 25개의 근접한 ULIRG에 대한 다파장 조사인 PUMA 프로젝트의 첫 번째 결과를 제시한다. 이는 넓고 비대칭적인 [O III] 및 Na ID 발광선—고속의 기체 분출을 나타내는 것—이 ULIRG 핵에서 널리 퍼져 있음을 드러내며, 85%의 경우에서 별성 운동분산보다 >0.15 dex 높은 속도 분산을 보이며, 융합 단계 동안 광범위하게 퍼진 AGN 및 성간별 폭풍에 의한 바람이 존재함을 강력히 시사한다.

ABSTRACT

Context. Ultraluminous infrared galaxies (ULIRGs) are characterised by extreme starburst (SB) and active galactic nucleus (AGN) activity, and are therefore ideal laboratories for studying the outflow phenomena and their feedback effects. We have recently started a project called Physics of ULIRGs with MUSE and ALMA (PUMA), which is a survey of 25 nearby ( z < 0.165) ULIRGs observed with the integral field spectrograph MUSE and the interferometer ALMA. This sample includes systems with both AGN and SB nuclear activity in the pre- and post-coalescence phases of major mergers. Aims. The main goals of the project are (i) to study the prevalence of (ionised, neutral, and molecular) outflows as a function of the galaxy properties, (ii) to constrain the driving mechanisms of the outflows (e.g. distinguish between SB and AGN winds), and (iii) to identify and characterise feedback effects on the host galaxy. In this first paper, we present details on the sample selection, MUSE observations, and data reduction, and derive first high-level data products. Methods. MUSE data cubes were analysed to study the dynamical status of each of the 21 ULIRGs observed so far, taking the stellar kinematics and the morphological properties inferred from MUSE narrow-band images into account. We also located the ULIRG nuclei, taking advantage of near-infrared (HST) and millimeter (ALMA) data, and studied their optical spectra to infer (i) the ionisation state through standard optical line ratio diagnostics, and (ii) outflows in both atomic ionised ([O III], H α ) and neutral (Na ID) gas. Results. We show that the morphological and stellar kinematic classifications are consistent: post-coalescence systems are more likely associated with ordered motions, while interacting (binary) systems are dominated by non-ordered and streaming motions. We also find broad and asymmetric [O III] and Na ID profiles in almost all nuclear spectra, with line widths in the range [300 − 2000] km s −1 , possibly associated with AGN- and SB-driven winds. This result reinforces previous findings that indicated that outflows are ubiquitous during the pre- and post-coalescence phases of major mergers.

연구 동기 및 목표

• 은하 성질에 따라 ULIRG 내 이온화된, 중성 및 분자 기체 분출의 퍼짐 정도를 조사하기 위해.
• 주요 융합 시스템에서 AGN에 의한 분출과 성간별 폭풍에 의한 분출 메커니즘을 구분하기 위해.
• ULIRG 진화의 전융합 및 후융합 단계 동안 주변 은하에 미치는 피드백 효과를 특성화하기 위해.
• MUSE 및 ALMA 데이터를 활용해 ISM 역학의 고해상도, 다상태 시각을 확립하기 위해.
• BPT 진단법과 고스펙트럼 해상도 데이터를 활용해 ULIRG 핵 내 이온화 메커니즘의 분류를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 21개의 ULIRG(z < 0.165)에 대해 깊은 MUSE 적층장역광학을 수행하여 공간적으로 분해된 별성 및 이온화 기체 운동학을 유도하였다.
• pPXF 별성 인구 합성 기법을 적용하여 MUSE 데이터 큐브에서 별성 속도 분산과 운동학적 구조를 추출하였다.
• MUSE의 협대역 영상 분석을 통해 형태학적 및 운동학적 상태(예: 순서 정렬된 회전 운동 대비 유동 운동)를 분류하였다.
• ALMA 및 HST로 확인된 핵 31개의 스펙트럼을 추출하여 BPT 진단법과 선형형태 비대칭성으로 이온화 상태를 연구하였다.
• 이온화된 기체와 중성 기체의 [O III] 및 Na ID 선의 속도 분산을 측정하고, 이를 별성 속도 분산(σ*)과 비교하여 비중력 운동을 식별하였다.
• MUSE 및 ALMA 데이터를 융합하여 분출을 교차 확인하고 융합 시퀀스의 다양한 단계에서 물리적 원인을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ULIRG의 운동학적 성질(예: 순서 정렬된 운동 대비 유동 운동)이 융합 단계(전융합 또는 후융합)와 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ2 이온화된 기체와 중성 기체 분출은 ULIRG 핵에서 어느 정도 존재하며, 그 중 몇 퍼센트가 AGN에 의해, 몇 퍼센트가 성간별 폭풍에 의해 유도되는가?
• RQ3 발광선의 속도 분산과 별성 속도 분산 사이의 관계는 ISM 역학에 대해 어떤 함의를 지니는가?
• RQ4 고해상도 MUSE 스펙트럼에 적용된 BPT 진단도는 장선형 데이터 기반 문헌 분류와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 기체 분출은 주요 융합 단계 동안 ULIRG 내 별 형성과 피드백을 조절하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 후융합 ULIRG는 순서 정렬된 디스크 유사한 별성 운동학을 보이며, 상호작용 중(이중체) 시스템은 비순서 정렬된 유동 운동을 보인다.
• 11개의 융합 시스템 중 8개는 순서 정렬된 회전 패tern을 보이고, 10개의 상호작용 시스템 중 7개는 비순서 정렬된 운동을 보인다.
• 모든 31개의 핵 스펙트럼에서 넓고 비대칭적인 [O III] 및 Na ID 발광선이 관측되었으며, 속도 폭은 300–2000 km/s에 이르렀다.
• 핵 스펙트럼의 85%에서 이온화된 기체 및 중성 기체의 속도 분산이 별성 속도 분산(σ*)을 0.15 dex 이상 초과하여 강력한 비중력 운동을 시사한다.
• BPT 진단법에 따르면 11개 핵은 별 형성 주도, 9개는 AGN 주도, 6개는 LINER 유사로 분류되었으며, 5개 핵에서는 진단 결과가 일관되지 않아 혼합된 이온화 메커니즘이 존재함을 시사한다.
• 고AGN 비율 시스템(αAGN > 0.5)에서는 중성 기체 분출(Na ID)이 흔치 않으며, 유일하게 하나의 핵에서만 감지 가능한 분출이 관측되어 AGN 주도 환경에서의 관측 과제를 강조한다.