[논문 리뷰] The cold interstellar medium of galaxies in the Local Universe

A. Saintonge, Barbara Catinella|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 01.

Pharmacological Effects and Assays인용 수 9

한 줄 요약

이 리뷰는 근접한 은하들에서 관측된 냉각성 간성간매질(ISM)의 척도관계를 종합적으로 다루며, 항성 형성률이 총 냉각성 가스 질량, 분자 가스 비율, 가스 소진 timescale에 의해 결정됨을 보여준다. 주요 결과는 항성 형성 주요선과 질량-중금속도 관계가 가스 가용성과 효율성에 의해 본질적으로 결정되며, 은하 질량과 환경에 따라 체계적인 변화를 보임을 시사한다.

ABSTRACT

The cold interstellar medium (ISM) plays a central role in the galaxy evolution process. It is the reservoir that fuels galaxy growth via star formation, the repository of material formed by these stars, and a sensitive tracer of internal and external processes that affect entire galaxies. Consequently, significant efforts have gone into systematic surveys of the cold ISM of the galaxies in the local Universe. This review discusses the resulting network of scaling relations connecting the atomic and molecular gas masses of galaxies with their other global properties (stellar masses, morphologies, metallicities, star formation activity...), and their implications for our understanding of galaxy evolution. Key take-home messages are as follows: (1) From a gas perspective, there are three main factors that determine the star formation rate of a galaxy: the total mass of its cold ISM, how much of that gas is molecular, and the rate at which any molecular gas is converted into stars. All three of these factors vary systematically across the local galaxy population. (2) The shape and scatter of both the star formation main sequence and the mass-metallicity relation are deeply linked to the availability of atomic and molecular gas. (3) Future progress will come from expanding our exploration of scaling relations into new parameter space (in particular the regime of dwarf galaxies), better connecting the cold ISM of large samples of galaxies with the environment that feeds them (the circumgalactic medium in particular), and understanding the impact of these large scales on the efficiency of the star formation process on molecular cloud scales.

연구 동기 및 목표

• 체계적인 관측 조사들을 통해 근접한 은하들에서 냉각성 ISM에 대한 현재 이해를 종합하는 것.
• 냉각성 가스 질량, 항성 형성, 전체 은하 성질 간의 핵심 척도관계를 규명하는 것.
• 가스 저축지와 전환 효율성이 항성 형성 주요선과 질량-중금속도 관계를 어떻게 규정하는지 명확히 하는 것.
• 저질량 은하에서 냉각성 ISM에 대한 이해의 주요 격차와 그가 은하간매질(CGM)과 연결되는 방식을 규명하는 것.

제안 방법

• 원거리 은하 조사에서 수소-21cm 방출과 CO 선 방출을 각각 원자성 가스와 분자성 가스를 추적하기 위해 분석하는 것.
• 먼지 기반 추적자를 사용하여 총 가스 질량을 추정하고, 다양한 은하 집단에서 가스 프로파일을 검증하는 것.
• 냉각성 가스 질량 비율, 항성 질량, 항성 형성률, 중금속도 간의 전역 척도관계를 수립하는 것.
• H i와 H₂의 가스 소진 timescale(tdep)을 정량화하고, 은하 질량과 항성 형성 효율성에 따른 의존성을 분석하는 것.
• 항성 형성 주요선과 질량-중금속도 관계의 통계적 모델링을 통해 가스 함량과 전환 효율성과의 연관성을 규명하는 것.
• 우주망 구조의 가스 유입에서부터 분자구름 척도의 항성 형성에 이르기까지 다중 척도 과정을 통합하여 관측된 은하 진화를 설명하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 국지 은하 집단 전반에서 원자성 및 분자성 가스 질량은 항성 질량, 형상, 중금속도와 어떻게 척도가 맞물리는가?
• RQ2 냉각성 가스 저축지와 소진 timescale 측면에서 항성 형성 주요선의 형태와 산란은 무엇에 의해 결정되는가?
• RQ3 주요선 상단 또는 하단에 위치한 은하들이 왜 다른 가스 함량과 효율성 프로파일을 보이는가?
• RQ4 냉각성 ISM은 은하간매질(CGM)과 간성간매질(IGM)과 어떻게 연결되어 있으며, 은하 진화를 어떻게 규제하는가?
• RQ5 밀도 높은 대비 희박한 분자성 가스 비율은 가스 소진 timescale과 항성 형성 효율성을 어떻게 조절하는가?

주요 결과

• 냉각성 ISM는 근접 우주 전반에서 전체 바리온의 약 ~1.3%를 차지하며, 총 항성 질량 밀도의 약 ~35%를 차지한다.
• 원자성 및 분자성 가스 비율은 약 ~10¹⁰.³ M☉ 이상에서 급격히 감소하며, 저질량 은하는 확장된, 분리된 원자성 가스 저축지를 지닌다.
• H i의 소진 timescale 평균은 약 ~3 Gyr이지만, 은하 간에 광범위하게 변동하며, H₂의 소진 timescale은 항성 형성 효율성이 낮아질수록 체계적으로 증가한다.
• 항성 형성 주요선의 형태는 주로 M(H₂)–M∗ 관계에 의해 결정되며, 둘째로 질량 증가에 따라 tdep(H₂)가 서서히 증가하는 데 기인한다.
• 주요선 상단에 위치한 은하는 높은 분자 가스 비율과 짧은 소진 timescale을 보이며, 가스 전환 효율성이 향상된 것으로 나타난다.
• 주요선 하단에 위치한 은하에서는 감소된 가스 저축지가 지배적이며, 긴 소진 timescale은 밀도 높은 대비 희박한 분자 가스 비율의 변화 때문일 가능성이 높다.