[논문 리뷰] The distribution of the ISM in the Milky Way A three-dimensional large-scale model

A. Misiriotis, E. M. Xilouris외 3명|ArXiv.org|2006. 07. 28.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 33인용 수 68

한 줄 요약

이 연구는 COBE/DIRBE 및 FIRAS 자료를 이용해 먼지, 별, 가스의 공간 분포를 제약 조건으로 삼는 단순한 3차원 축대칭 복사전달 모델을 제시한다. 이 모델은 적외선 및 근적외선 지도를 성공적으로 재현하며, 외부 나선은우성간물질과 일치하는 은하의 색채 법칙을 유도하고, 관측된 세프라이드 별의 투명도와 뛰어난 일치를 보여, 간단한 기하학적 구조에도 불구하고 대규모 먼지 분포의 타당성을 입증한다.

ABSTRACT

We use the COBE/DIRBE (1.2, 2.2, 60, 100, 140, and 240 $μ$m) maps and the COBE/FIRAS spectra (for the wavelength range 100 - 1000 $μ$m) to constrain a model for the spatial distribution of the dust, the stars, and the gas in the Milky Way. By assuming exponential axisymmetric distributions for the dust and the stars and by performing the corresponding radiative transfer calculations we closely (given the simple geometry of the model) reproduce the FIR and NIR maps of the Milky Way. Similar distributions for the atomic and molecular hydrogen in the disk are used (with an inner cut-off radius for the atomic hydrogen) to fit the gas data. The star formation rate as a function of the Galactic radius is derived from the FIR emission and is well in agreement with existing estimates from various star formation tracers. The gas surface density is plotted against the star formation rate density and an ``intrinsic'' Galactic Schmidt law is derived with excellent agreement with the ``external'' Schmidt law found for spiral galaxies. The Milky Way is found to consume $\sim 1%$ and $\sim 10%$ of its gas in the outer and inner regions respectively (for a period of 0.1 Gyr) to make stars. The dust-induced B-V color excess observed in various directions and distances (up to $\sim 6.5$ kpc) with well-studied Cepheid stars is compared with the model predictions showing a good agreement. The simple assumption of exponential distributions of stars and dust in the Galaxy is found to be quite instructive and adequate in modeling all the available data sets from 0.45 $μ$m (B-band) to 1000 $μ$m.

연구 동기 및 목표

• 광학에서 밀리미터파에 이르기까지 다중 파장 관측자료를 일관되게 맞추는 최소 매개변수를 가진 3차원 은하수 ISM 모델을 개발하기 위해.
• COBE/DIRBE 및 FIRAS 자료를 이용해 먼지, 별, 가스(원자 및 분자 수소)의 공간 분포를 제약 조건으로 삼기 위해.
• 은하중심 반경에 따른 항성 형성률(SFR)을 유도하고, 독립적인 추적자들과 비교하여 모델을 검증하기 위해.
• 모델이 관측된 세프라이드 별 향한 B-V 색상 과잉을 재현할 수 있는지 테스트하여, 먼지 투명도 예측 정확도를 평가하기 위해.
• 은하수가 외부 나선은우성간물질에서 관측된 것과 동일한 가스-SFR 관계(Schmidt 법칙)를 따르는지 조사하여 잠재적인 보편적 척도를 수립하기 위해.

제안 방법

• 은하수 디스크에서 먼지와 별에 대해 지수함수적이고 축대칭적인 분포를 가정하며, 스케일길이와 스케일높이를 자유 매개변수로 삼아 자료에 의해 제약 조건을 설정한다.
• 모든 파장 범위(0.45–1000 µm)에서 별 빛의 투과도와 먼지 복사 방출을 계산하기 위해 복사전달 계산을 수행하며, 산란 및 흡수 효과를 포함한다.
• COBE/DIRBE 지도(1.2, 2.2, 60, 100, 140, 240 µm)를 사용하여 모델을 관측된 FIR 및 NIR 표면 밝기 분포에 맞춘다.
• COBE/FIRAS 스펙트럼(100–1000 µm)을 활용하여 은하의 전반적 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 제약 조건으로 삼고, 모델 예측을 검증한다.
• 21 cm(HI) 및 CO(H2) 방출 지도를 사용하여 가스 분포를 모델링하며, 원자 수소의 관측된 반경 프로파일에 맞추기 위해 내부 컷오프 반경을 적용한다.
• 먼지 재복사 방출이 최근 항성 형성과 관련이 있다고 가정하여 FIR 복사에서 항성 형성률(SFR) 밀도를 유도하고, 외부 추적자들과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최소 매개변수를 가진 단순한 축대칭 3차원 복사전달 모델이 은하수의 관측된 FIR 및 NIR 복사 지도를 재현할 수 있는가?
• RQ2 은하수 디스크에서 먼지와 별의 상대적 스케일길이와 스케일높이는 얼마이며, 기존 관측과 비교해보면 어떠한가?
• RQ3 은하중심 반경에 따른 항성 형성률(SFR) 밀도가 은하 내부의 항성 형성 추적자들과 일치하는가?
• RQ4 관측된 SFR 표면 밀도가 가스 표면 밀도와 외부 나선은우성간물질에서 관측된 보편적 색채 법칙과 일치하는가?
• RQ5 모델이 관측된 세프라이드 별 향한 B-V 색상 과잉을 어느 정도 정확하게 재현하는가? 이는 ISM의 덩어리성에 대한 무엇을 시사하는가?

주요 결과

• 모델은 COBE/DIRBE FIR 및 NIR 지도를 매우 높은 일관성으로 재현하여, 먼지와 별에 대해 지수함수적 분포를 사용하는 것이 타당하다는 것을 검증한다.
• 먼지 스케일길이는 별보다 약 2배 길며, 별은 1.2 µm에서 2.5 kpc, 먼지는 약 5 kpc이다. 별 대비 먼지의 스케일높이 비율은 약 1.7이다.
• FIR 복사에서 도출된 항성 형성률(SFR) 밀도는 독립적인 SFR 추적자들과 매우 우수한 일치를 보이며, 모델의 신뢰성을 확인한다.
• SFR 표면 밀도 대 가스 표면 밀도 관계에서 도출된 색채 법칙은 외부 나선은우성간물질에서 관측된 '외부' 색채 법칙과 거의 동일하여 보편적인 가스-SFR 관계가 존재함을 시사한다.
• 은하수의 내부 영역에서는 약 10%의 가스가 0.1 Gyr 동안 소모되고, 외부 영역에서는 약 1%로 나타나, 항성 형성 효율이 반경 방향으로 뚜렷하게 감소함을 보여준다.
• 세프라이드 별 향한 모델 예측 B-V 색상 과잉은 관측값과 매우 우수한 상관관계를 보이며, 대각선을 중심으로 대칭적으로 산포되어 있어, 매끄러운 ISM를 가정함에도 불구하고 먼지 투명도 예측의 정확성이 확인된다.