[논문 리뷰] The Herschel Dwarf Galaxy Survey: II. Physical conditions, origin of [CII] emission, and porosity of the multiphase low-metallicity ISM

D. Cormier, N. P. Abel외 8명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 17.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 112인용 수 28

한 줄 요약

이 연구는 허셜 저금속량 왜소은하계 조사에서 확보한 저금속량 왜소은하의 다상태 간성간매질(ISM)을 Cloudy 스펙트럼 합성 코드를 사용하여 모델링하여 물리적 조건, [C II] 복사 기원, ISM 다공성 특성을 규명한다. 연구 결과 저금속량은 더 높은 이온화 매개변수, 증가한 PDR 커버링 인자, 더 큰 ISM 다공성을 유도하며, 이는 이온화 광자 탈출을 촉진하는 핵심 요인임을 보여준다. [C II] 복사는 주로 PDR에서 기인하며 이온화 기체에서 기인하지 않으며, 이는 저금속량 및 고적색편이 은하에서의 별 형성률(SFR) 추정에 강력한 지표가 됨을 시사한다.

ABSTRACT

The sensitive infrared telescopes, Spitzer and Herschel, have been used to target low-metallicity star-forming galaxies, allowing us to investigate the properties of their interstellar medium (ISM) in unprecedented detail. Interpretation of the observations in physical terms relies on careful modeling of those properties. We have employed a multiphase approach to model the ISM phases (HII region and photodissociation region) with the spectral synthesis code Cloudy. Our goal is to characterize the physical conditions (gas densities, radiation fields, etc.) in the ISM of the galaxies from the Herschel Dwarf Galaxy Survey. We are particularly interested in correlations between those physical conditions and metallicity or star-formation rate. Other key issues we have addressed are the contribution of different ISM phases to the total line emission, especially of the [CII]157um line, and the characterization of the porosity of the ISM. We find that the lower-metallicity galaxies of our sample tend to have higher ionization parameters and galaxies with higher specific star-formation rates have higher gas densities. The [CII] emission arises mainly from PDRs and the contribution from the ionized gas phases is small, typically less than 30% of the observed emission. We also find correlation - though with scatter - between metallicity and both the PDR covering factor and the fraction of [CII] from the ionized gas. Overall, the low metal abundances appear to be driving most of the changes in the ISM structure and conditions of these galaxies, and not the high specific star-formation rates. These results demonstrate in a quantitative way the increase of ISM porosity at low metallicity. Such porosity may be typical of galaxies in the young Universe.

연구 동기 및 목표

• 허셜 저금속량 왜소은하계 조사에서 확보한 저금속량 왜소은하의 ISM에서 기체 밀도, 이온화 매개변수, 복사장과 같은 물리적 조건을 규명한다.
• [C II] 157 µm 복사에 기여하는 이온화 기체와 광해리영역(PDRs)의 상대 기여도를 규명한다.
• 금속량과 특정별형성률(sSFR)이 ISM 구조 및 다공성에 미치는 영향을 조사한다.
• ISM 커버링 인자와 다공성을 정량화하여 고적색편이 은하에서 이온화 광자 탈출 가능성에 미치는 영향을 분석한다.

제안 방법

• 개별 은하의 H II 영역과 PDR을 모델링하기 위해 스펙트럼 합성 코드 Cloudy를 활용한다.
• 관측된 적외선 및 중적외선 영역의 미세구조선 밝기(예: [C II], [O III], [N II])를 제약 조건으로 사용하여 모델 파라미터를 조정한다.
• 관측된 MIR-FIR 복사와 일치시키기 위해 가변 이온화 매개변수와 밀도 프로파일을 사용한 다상태 모델링 접근법을 적용한다.
• 모델 민감도를 평가하기 위해 복사장, 먼지대기체 비율, X선 복사세기, 우주선 비율 등의 주요 입력 파라미터를 변화시킨다.
• 보조 데이터와 이전 연구를 활용하여 원소 농도와 기하학적 구조에 대한 가정을 정교화한다.
• ISM 다공성과 광자 탈출 가능성을 평가하기 위해 PDR 커버링 인자와 이온화 기체의 충진율을 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저금속량 왜소은하의 ISM을 특징짓는 물리적 조건(밀도, 이온화 매개변수, 복사장)은 무엇인가?
• RQ2 [C II] 157 µm 복사의 주요 기원은 이온화 기체인지 PDR인가? (PDR이 주된 기원인지 확인할 것)
• RQ3 금속량과 특정별형성률(sSFR)은 ISM 다공성과 커버링 인자에 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ4 저금속량이 고-sSFR 효과에 비해 ISM의 구조적 및 물리적 변화를 얼마나 크게 유도하는가?
• RQ5 관측된 [O I] 145/63 선 비율은 표준 모델로 재현 가능한가, 아니면 추가적인 가열 메커니즘이 필요한가?

주요 결과

• 저금속량 은하에서는 금속량이 높은 은하보다 더 높은 이온화 매개변수(log(U) ≈ −3.0에서 −0.3)와 더 높은 PDR 밀도(ne ≈ 10^0.5에서 10^3.0 cm⁻³)를 보인다.
• 이온화 기체가 [C II] 복사에 기여하는 비율은 일반적으로 30% 미만이므로, 저금속량 환경에서는 [C II]가 주로 PDR의 지표임을 확인한다.
• 금속량 감소와 함께 PDR 커버링 인자가 이온화 기체 대비 감소하는 명백한 상관관계가 존재하며, 이는 ISM 다공성 증가를 시사한다.
• PDR 커버링 인자는 금속량 감소와 TIR 대 FUV 복사세기 비율 감소와 함께 감소하며, 이는 금속량에 의해 이끌어지는 ISM의 구조적 진화를 시사한다.
• 이온화 매개변수의 민감도는 복사장 라이브러리 선택에 가장 크게 영향을 받으며, 먼지대기체 비율과 밀도 프로파일은 PDR 밀도 추정에 영향을 준다.
• 일부 은하에서 관측된 [O I] 145/63 선 비율을 재현하기 위해 저세기 소프트 X선 성분과/또는 증가한 우주선 비율이 필요하다.