[논문 리뷰] The Herschel Dwarf Galaxy Survey: I. Properties of the low-metallicity ISM from PACS spectroscopy

D. Cormier, S. C. Madden외 18명|CaltechAUTHORS (California Institute of Technology)|2015. 02. 10.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 95인용 수 87

한 줄 요약

이 연구는 허셜 패스 스펙트로스코피를 활용해 48개의 저금속도 저항성은하에서 적외선 근적외선 미세구조선을 분석하여, 그 은하간매질(ISM)이 밀도 높은 기체의 낮은 충진율과 희박한 기체의 높은 체적 충진율을 가진 매우 다공성 구조를 가짐을 밝혀냈다. 주요 발견은 중간 정도의 FUV 복사장과 낮은 PDR 커버링 인자에 의해 유도된 [C ii], [O i], [O iii] 선-열적 전체광도 비율의 향상은 UV 광자가 쉽게 탈출하는 누수된 ISM를 나타내며, 이는 금속 농도가 높은 은하들과의 차이를 보인다.

ABSTRACT

The far-infrared (FIR) lines are key tracers of the physical conditions of the interstellar medium (ISM) and are becoming workhorse diagnostics for galaxies throughout the universe. Our goal is to explain the differences and trends observed in the FIR line emission of dwarf galaxies compared to more metal-rich galaxies. We present Herschel PACS spectroscopic observations of the CII157um, OI63 and 145um, OIII88um, NII122 and 205um, and NIII57um fine-structure cooling lines in a sample of 48 low-metallicity star-forming galaxies of the guaranteed time key program Dwarf Galaxy Survey. We correlate PACS line ratios and line-to-LTIR ratios with LTIR, LTIR/LB, metallicity, and FIR color, and interpret the observed trends in terms of ISM conditions and phase filling factors with Cloudy radiative transfer models. We find that the FIR lines together account for up to 3 percent of LTIR and that star-forming regions dominate the overall emission in dwarf galaxies. Compared to metal-rich galaxies, the ratios of OIII/NII122 and NIII/NII122 are high, indicative of hard radiation fields. In the photodissociation region (PDR), the CII/OI63 ratio is slightly higher than in metal-rich galaxies, with a small increase with metallicity, and the OI145/OI63 ratio is generally lower than 0.1, demonstrating that optical depth effects should be small on the scales probed. The OIII/OI63 ratio can be used as an indicator of the ionized gas/PDR filling factor, and is found ~4 times higher in the dwarfs than in metal-rich galaxies. The high CII/LTIR, OI/LTIR, and OIII/LTIR ratios, which decrease with increasing LTIR and LTIR/LB, are interpreted as a combination of moderate FUV fields and low PDR covering factor. Harboring compact phases of low filling factor and a large volume filling factor of diffuse gas, the ISM of low-metallicity dwarf galaxies has a more porous structure than that in metal-rich galaxies.

연구 동기 및 목표

• 저금속도 저항성은하의 은하간매질(ISM)의 물리적 조건이 금속 농도가 높은 은하들과 어떻게 다른지 이해하기 위해.
• FIR 미세구조선이 항성 형성 영역에서 ISM의 가열, 냉각 및 상 구조를 어떻게 추적하는지 조사하기 위해.
• 금속 농도가 [C ii] 157 μm, [O i] 63/145 μm, [O iii] 88 μm 등의 주요 냉각선의 여기, 충진율 및 광도 비율에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 금속 농도 변화와 무관하게 방사장의 딱딱함과 이온화된 기체의 충진율을 나타내는 지표로 [O iii]/[O i] 및 [O iii]/[N ii] 비율의 신뢰성을 평가하기 위해.
• Cloudy 복사전달 시뮬레이션을 사용해 관측된 선 비율을 모델링하여 저금속도 환경에서의 ISM의 구조적 및 물리적 특성을 추론하기 위해.

제안 방법

• 허셜 저항성은하 조사에서 확보한 48개의 저금속도 저항성은하에서 FIR 미세구조선: [C ii] 157 μm, [O i] 63 및 145 μm, [O iii] 88 μm, [N ii] 122 및 205 μm, [N iii] 57 μm의 패스 스펙트로스코픽 관측을 확보하였다.
• ISM 조건과 여기 메커니즘을 탐색하기 위해 선-열적 전체광도 비율(L_line / L_TIR)과 선 비율(예: [O iii]/[O i], [C ii]/[N ii])을 계산하였다.
• 관측된 선 비율을 L_TIR, L_TIR/L_B, 금속 농도 및 FIR 색상과 관련지어 ISM의 구조 및 복사장 특성과 연관된 추세를 식별하였다.
• FUV 복사장 강도(G₀), 기체 밀도(n_H), 상 충진율 등을 변화시켜 PDR 및 이온화된 기체 조건을 시뮬레이션하기 위해 Cloudy 복사전달 모델을 사용하였다.
• 모델 예측을 관측된 선 비율과 비교하여 광분해영역(PDR)과 이온화된 기체 상의 커버링 인자를 추론하였다.
• 이온화된 기체가 [C ii] 발광에 기여하는 정도를 [N ii]/[C ii] 비율 비교 및 이온화 구조 모델을 사용하여 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저금속도 저항성은하에서 FIR 선 광도와 선-열적 전체광도 비율은 금속 농도가 높은 은하들과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 이러한 저항성은하에서 [O iii] 88 μm 및 [N iii] 57 μm 선이 [N ii] 선보다 강하게 나타나는 원인은 무엇이며, 이는 이온화 복사장에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ3 선 비율인 [C ii]/[O i] 및 [O iii]/[O i]가 저금속도 ISM에서 각각 PDR 및 이온화된 기체의 충진율을 어느 정도 반영하는가?
• RQ4 특히 밀도 높은 기체와 희박한 기체의 충진율이 FIR 선 발광과 저항성은하의 전체 에너지 균형에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 [O iii]/[O i] 비율이 저금속도 환경에서 이온화된 기체/PDR 충진율을 신뢰할 수 있고 금속 농도에 영향을 받지 않는 지표로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• FIR 선들은 총 적외선 광도(L_TIR)의 최대 3%를 차지하며, 평균적으로 [O iii] 88 μm 선이 가장 밝고 [C ii] 157 μm 선보다 두 배 더 밝다.
• [C ii]/L_TIR 비율은 0.04%에서 0.7% 사이이며, [C ii] + [O i] / L_TIR 합계는 0.2%에서 1.0% 사이로, 금속 농도가 높은 은하들보다 기체 냉각이 향상되어 있음을 나타낸다.
• [O iii]/[N ii] 122 비율은 저항성은하에서 금속 농도가 높은 은하보다 4배 높아, 더 딱딱한 복사장과 높은 이온화 파라미터를 나타낸다.
• [O iii]/[O i] 63 비율은 이온화된 기체/PDR 충진율에 대한 강력한 지표이며, 저항성은하에서는 약 4배 높아 이온화된 기체의 체적 충진율이 더 크다는 것을 시사한다.
• [C ii]/[N ii] 122 비율은 낮다(일반적으로 <15%), 이는 이온화된 기체가 [C ii] 발광에 거의 기여하지 않음을 나타내며, [C ii]가 신뢰할 수 있는 PDR 추적자임을 확인한다.
• 복사전달 모델링 결과, 관측된 선 비율은 중간 정도의 FUV 복사장과 밀도 높은 PDR 기체의 낮은 커버링 인자를 조합하여 설명되며, 이는 높은 희박한 기체 체적 충진율을 가진 다공성 ISM의 구조를 유도한다.