[논문 리뷰] Star formation laws in Luminous Infrared Galaxies. New observational constraints on models

S. García‐Burillo, A. Usero외 6명|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 29.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 68인용 수 79

한 줄 요약

이 연구는 밀도 높은 분자가스를 조사하기 위해 HCN, CO 및 HCO⁺ 선을 이용한 고해상도 IRAM 30m 전자망원경 관측을 통해 밝은 적외선 은하(LIRGs)에서의 항성 형성 법칙을 조사한다. 밀도 높은 가스에서의 항성 형성 효율은 정상 은하보다 LIRGs에서 3–4배 높으며, 이는 HCN-가스 변환 인자 및 천체역학적 timescale의 차이를 고려한 후에도 지속되는 이중성 항성 형성 법칙을 지지한다.

ABSTRACT

The observational study of star formation relations in galaxies is central to unraveling the physical processes at work on local and global scales. We wish to expand the sample of extreme starbursts, represented by local LIRGs and ULIRGs, with high quality observations in the 1-0 line of HCN. We study if a universal law can account for the star formation relations observed for the dense molecular gas in normal star forming galaxies and extreme starbursts. We have used the IRAM 30m telescope to observe a sample of 19 LIRGs in the 1-0 lines of CO, HCN and HCO+. The analysis of the new data proves that the efficiency of star formation in the dense molecular gas (SFE-dense) of extreme starbursts is a factor 3-4 higher compared to normal galaxies. We find a duality in Kennicutt-Schmidt (KS) laws that is reinforced if we account for the different conversion factor for HCN (alpha-HCN) in extreme starbursts and for the unobscured star formation rate in normal galaxies. This result extends to the higher molecular densities probed by HCN lines the more extreme bimodal behavior of star formation laws, derived from CO molecular lines by two recent surveys. We have confronted our observations with the predictions of theoretical models in which the efficiency of star formation is determined by the ratio of a constant star formation rate per free-fall time (SFR-ff) to the local free-fall time. We find that it is possible to fit the observed differences in the SFE-dense between normal galaxies and LIRGs/ULIRGs using a common constant SFR-ff and a set of physically acceptable HCN densities, but only if SFR-ff~0.005-0.01 and/or if alpha-HCN is a factor of a few lower than our favored values. Star formation recipes that explicitly depend on the galaxy global dynamical time scales do not significantly improve the fit to the new HCN data presented in this work.

연구 동기 및 목표

• 고품질의 HCN 선 데이터를 활용하여 극한의 초성성 폭발 은하, 특히 밝은 적외선 은하(LIRGs/ULIRGs)에서 항성 형성 법칙에 대한 관측적 제약 조건을 확장한다.
• 정상적인 항성 형성 은하와 극한의 초성성 폭발 은하 간에 보편적인 항성 형성 법칙이 적용되는지, 특히 밀도 높은 분자가스에서 검증한다.
• 항성 형성 효율이 자유낙하 시간과 전체 천체역학적 timescale에 의해 결정된다는 이론적 모델의 타당성을 평가한다.
• 다른 은하 집단 간에 관측된 항성 형성 효율의 차이를 설명하기 위해 HCN-가스 변환 인자(α^HCN)의 변화가 미치는 영향을 평가한다.

제안 방법

• IRAM 30m 전자망원경을 사용하여 CO, HCN 및 HCO⁺의 1–0 전이 상태를 관측하여 밀도 높은 분자가스와 항성 형성 트레이서를 조사하였다.
• 고해상도 광학, 근적외선 및 중간적외선 영상에서 항성 형성 영역의 크기를 측정하고, 다양한 트레이서를 사용하여 항성 형성률(SFR)을 유도하였다.
• HCN 빛의 세기를 가스 표면 밀도의 대체 지표로 사용하여, 밀도 높은 가스에서의 항성 형성 효율(SFE_dense)을 SFR과 밀도 높은 분자가스 표면 밀도의 비율로 계산하였다.
• 자기자기-스미스(Kennicutt-Schmidt, KS) 거듭제곱 법칙을 SFR–밀도 높은 가스 표면 밀도 관계에 적합하여 국소적(자유낙하 시간) 및 전역적(천체역학적 시간) 공식을 모두 테스트하였다.
• 일관된 SFR_ff 모델과 다양한 α^HCN 및 가스 척도 높이를 가정한 이론적 모델을 비교하여 모델의 일관성을 평가하였다.
• 천체역학적 timescale(t_dyn) 정의가 관측된 항성 형성 법칙의 이중성에 미치는 영향을 평가하였으며, 특히 안정된 디스크와 교란된 병합 은하 간의 차이를 중심으로 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀도 높은 분자가스에서 항성 형성 효율은 정상 은하와 LIRGs 간에 보편적으로 적용 가능한가?
• RQ2 HCN-가스 변환 인자(α^HCN)의 차이가 관측된 항성 형성 법칙의 이중성에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 일관된 상수 SFR_ff 모델이 정상 은하와 LIRGs 간의 관측된 SFE_dense 차이를 설명할 수 있는가?
• RQ4 전역적 천체역학적 timescale(t_dyn)이 관측된 항성 형성 관계에 미치는 영향은 무엇이며, 다양한 은하 유형 간에 일관되게 적용될 수 있는가?
• RQ5 가스 척도 높이(h_gas) 및 HCN 선의 자극 상태 변화를 고려할 경우, 관측된 항성 형성 법칙의 이중성 행동이 유지되는가?

주요 결과

• LIRGs에서 밀도 높은 분자가스의 항성 형성 효율(SFE_dense)은 정상 은하보다 3–4배 높으며, 이는 항성 형성 과정에 근본적인 차이가 있음을 시사한다.
• 관측된 SFE_dense의 차이는 α^HCN가 극한의 초성성 폭발에서 정상 은하보다 약 2–3배 낮을 경우, 일관된 상수 SFR_ff ≈ 0.005–0.01로 설명될 수 있다.
• SFR–Σ_dense_gas 관계의 케너리컷-스미스(Kennicutt-Schmidt) 거듭제곱 법칙 지수는 n = 0.8 ± 0.1로 이론적으로 예상되는 값 1.0과 유사하여 국소적 체적 항성 형성 법칙이 타당하다는 것을 시사한다.
• 천체역학적 timescale 지수 m = –0.5 ± 0.2는 기대되는 –1과 일치하지 않으며, 이는 전역적 t_dyn이 이 맥락에서 SFR 예측에 신뢰할 수 없는 예측 변수임을 시사한다.
• 일관된 SFR_ff와 다양한 가스 척도 높이(h_gas)를 가정한 이론적 모델은 관측된 이중성을 재현할 수 있지만, h_gas의 차이에 대한 관측적 제약은 여전히 제한되어 있다.
• 전역적 천체역학적 timescale에 의존하는 항성 형성 레시피는 HCN 데이터에 대한 적합도를 유의미하게 향상시키지 못하며, 이는 국소적 과정이 항성 형성 조절에서 주요 기여를 한다는 것을 시사한다.