[논문 리뷰] Subarcsecond international LOFAR radio images of Arp 220 at 150 MHz: A kpc-scale star forming disk surrounding nuclei with shocked outflows

E. Varenius, J. E. Conway외 17명|Data Archiving and Networked Services (DANS)|2016. 07. 10.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 57인용 수 22

한 줄 요약

이 연구는 150 MHz에서 아르프 220의 아크초당 해상도 LOFAR 이미지를 제시하며, 핵심에서 약 330 pc까지 연장되는 kpc 규모의 항성 형성 디스크와 충격파를 일으키는 외곽 유동을 드러낸다. 데이터는 전체 광량의 80% 이상이 기울어진 스펙트럼을 가진 확산된 방출에서 유래했음을 보여주며, 이는 항성 형성과 관련된 것으로 보이며, 낮은 열적 분율(<1%)은 강한-dust 흡수를 시사한다. 아르프 220는 q=2.36와 함께 적외선/라디오 상관관계를 따르며, 항성 형성률은 220 M☉ yr⁻¹이다.

ABSTRACT

We analyse new observations with the International Low Frequency Array (LOFAR) telescope, and archival data from the Multi-Element Radio Linked Interferometer Network (MERLIN) and the Karl G. Jansky Very Large Array (VLA). We model the spatially resolved radio spectrum of Arp 220 from 150 MHz to 33 GHz. We present an image of Arp 220 at 150 MHz with resolution $0.65'' imes0.35''$, sensitivity 0.15 mJy beam$^{-1}$, and integrated flux density $394\pm59$ mJy. More than 80% of the detected flux comes from extended ($6''\approx$2.2 kpc) steep spectrum ($α=-0.7$) emission, likely from star formation in the molecular disk surrounding the two nuclei. We find elongated features extending $0.3''$ (110 pc) and $0.9''$ (330 pc) from the eastern and western nucleus respectively, which we interpret as evidence for outflows. The extent of radio emission requires acceleration of cosmic rays far outside the nuclei. We find that a simple three component model can explain most of the observed radio spectrum of the galaxy. When accounting for absorption at 1.4 GHz, Arp 220 follows the FIR/radio correlation with $q=2.36$, and we estimate a star formation rate of 220 M$_\odot ext{yr}^{-1}$. We derive thermal fractions at 1 GHz of less than 1% for the nuclei, which indicates that a major part of the UV-photons are absorbed by dust. International LOFAR observations shows great promise to detect steep spectrum outflows and probe regions of thermal absorption. However, in LIRGs the emission detected at 150 MHz does not necessarily come from the main regions of star formation. This implies that high spatial resolution is crucial for accurate estimates of star formation rates for such galaxies at 150 MHz.

연구 동기 및 목표

• 이전 관측에서 감도와 해상도가 부족했던 MHz 주파수에서 아르프 220의 라디오 구조를 고각해상도로 해결하는 것.
• 150 MHz에서의 라디오 방출 기원을 규명하고, 열적 및 비열적 성분을 구분하며 항성 형성과 유동의 기여도를 식별하는 것.
• 아르프 220가 적외선/라디오 상관관계를 따르는지 테스트하고, 다주파수 라디오 데이터를 사용하여 항성 형성률을 추정하는 것.
• 광도가 높은 적외선 간성은행(LIRGs)에서 항성 형성률을 유도하기 위해 해상도가 없는 150 MHz 관측의 신뢰성을 평가하는 것.

제안 방법

• 국제 LOFAR 망원경을 사용해 새로운 150 MHz 관측을 확보하여 해상도 0.65'' × 0.35'' 및 감도 0.15 mJy beam⁻¹을 달성하였다.
• 150 MHz에서 33 GHz까지의 기록된 VLA 및 MERLIN 관측 데이터와 LOFAR 데이터를 융합하여 전체 스펙트럼 에너지 분포를 모델링하였다.
• 세 성분 모델을 구성: 두 개의 열적 흡수를 겪는 핵심 디스크와 주변 균일한, 광학적으로 얇은 동기방출 영역을 포함하여 관측된 스펙트럼을 맞추었다.
• 1.4 GHz에서 자유-자유 흡수를 고려하여 정확한 열적 분율을 유도하고 스펙트럼 모델링에서 투과도 효과를 보정하였다.
• 적외선/라디오 상관관계(q-파ram터)를 사용하여 총 항성 형성률을 추정하였으며, 흡수 및 확산 방출을 보정하였다.
• 초신성 가속화가 유동에 미치는 영향을 평가하기 위해 라디오 방출의 공간적 확장을 CO(1-0) 및 X선 슈퍼윈드 구조와 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 150 MHz에서 아르프 220의 라디오 방출은 어떤 공간적 구조와 스펙트럼 형태를 가지며, 고주파수 관측과 비교해 볼 때 어떻게 다른가?
• RQ2 150 MHz에서 주로 방출되는 라디오 방출은 핵 부근에서 유래하는가, 아니면 확산된 분자 디스크에서 유래하는가?
• RQ3 1 GHz에서의 라디오 방출의 열적 분율은 얼마이며, 이는 이온화 광자들이 먼지에 의해 얼마나 강하게 흡수되는지를 어떻게 시사하는가?
• RQ4 아르프 220는 적외선/라디오 상관관계를 따르는가? 흡수 및 확산 방출을 보정한 후 유도된 항성 형성률은 얼마인가?
• RQ5 핵에서 유래하는 유동과 슈퍼윈드 기저부가 1 GHz 이하에서 라디오 방출에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 150 MHz에서 LOFAR 이미지의 해상도는 0.65'' × 0.35''이며, 감도는 0.15 mJy beam⁻¹, 통합 방출 밀도는 394 ± 59 mJy이다.
• 150 MHz 방출의 80% 이상이 2.2 kpc 영역에서 기울어진 스펙트럼(α = -0.7)을 가진 확산된 방출에서 기인하며, 이는 분자 디스크 내 항성 형성과 일치한다.
• 기울어진 라디오 특징이 동부 및 서부 핵심에서 각각 0.3''(110 pc) 및 0.9''(330 pc)까지 연장되며, 충격파 유동의 증거로 해석된다.
• 1 GHz에서의 열적 분율은 동부 핵심에서 0.8%, 서부 핵심에서 0.4%이며, 이는 이온화 광자가 먼지에 의해 강하게 흡수됨을 시사한다.
• 아르프 220는 q = 2.36로 적외선/라디오 상관관계를 따르며, 흡수 및 확산 방출을 보정한 후 총 항성 형성률은 220 M☉ yr⁻¹이다.
• 모델이 200 MHz에서 1 GHz 사이의 방출을 과소평가하고 있어, 핵심에서의 해상도가 없는 유동 방출이 이 주파수대에서 중요한 역할을 한다는 것을 시사한다.