[논문 리뷰] The Herschel Exploitation of Local Galaxy Andromeda (HELGA) VII: A SKIRT radiative transfer model and insights on dust heating

S. Viaene, M. Baes외 18명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 27.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 143인용 수 31

한 줄 요약

이 연구는 M31에 대한 3D 복사열전달 모델을 SKIRT 코드를 사용하여 은하의 먼지가 별 집단에 의해 가열되는 것을 시뮬레이션한다. 먼지가 흡수하는 복사 에너지의 91%가 진화한 별들에 의해 기인하며, 이는 젊은 별과 직접적인 관련이 있다고 가정하는 기존의 가정을 도전하며, sSFR/NUV−r가 은하 전반에서 먼지 가열 비율을 추적하는 데 유망한 지표가 될 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

The radiation of stars heats dust grains in the diffuse interstellar medium and in star-forming regions in galaxies. Modelling this interaction provides information on dust in galaxies, a vital ingredient for their evolution. It is not straightforward to identify the stellar populations heating the dust, and to link attenuation to emission on a sub-galactic scale. Radiative transfer models are able to simulate this dust-starlight interaction in a realistic, three-dimensional setting. We investigate the dust heating mechanisms on a local and global galactic scale, using the Andromeda galaxy (M31) as our laboratory. We perform a series of panchromatic radiative transfer simulations of Andromeda with our code SKIRT. The high inclination angle of M31 complicates the 3D modelling and causes projection effects. However, the observed morphology and flux density are reproduced fairly well from UV to sub-millimeter wavelengths. Our model reveals a realistic attenuation curve, compatible with previous, observational estimates. We find that the dust in M31 is mainly (91 % of the absorbed luminosity) heated by the evolved stellar populations. The bright bulge produces a strong radiation field and induces non-local heating up to the main star-forming ring at 10 kpc. The relative contribution of unevolved stellar populations to the dust heating varies strongly with wavelength and with galactocentric distance.The dust heating fraction of unevolved stellar populations correlates strongly with NUV-r colour and specific star formation rate. These two related parameters are promising probes for the dust heating sources at a local scale.

연구 동기 및 목표

• 헤르슐 우주 망원경의 다중 파장 관측 자료를 바탕으로 M31에 대한 세밀한 3D 복사열전달 모델을 구축하기 위해.
• 해상도가 확보된, 중간 기울기의 나선파란 은하에서 진화한 별과 젊은 별 집단이 먼지 가열에 기여하는 비율을 조사하기 위해.
• 지역 스케일에서 sSFR 및 NUV−r 색상과 같은 2D 관측 지표가 먼지 가열 비율을 추정하는 데 얼마나 신뢰할 수 있는지 평가하기 위해.
• 기하학적 요소, 먼지 입자 성질, 별 형성 영역의 서브그리드 처리 방식으로 인한 탈투상 모델의 한계를 평가하기 위해.

제안 방법

• SKIRT 복사열전달 코드를 사용하여 M31 내에서 3D 먼지 재방출 및 별 복사장에 대한 시뮬레이션을 수행하였다.
• 별과 먼지에 대해 각각 얇은 디스크, 두꺼운 디스크, 구형 핵을 포함하는 파arametric 3D 기하 구조를 사용하였다.
• 적외선에서 밀리미터 파장까지의 관측된 SED 및 형상 자료를 사용하여 모델을 校정하였다.
• 먼지 질량, 젊은 별 집단의 빛의 세기, 내재된 이온화 복사 세기 등 자유 매개변수를 제약 조건에 따라 설정하였다.
• 다양한 별 집단이 먼지 가열에 기여하는 정도를 정량화하기 위해 복사장의 3D 분석을 수행하였다.
• 모델 출력 결과를 여러 파장대에서 관측된 복사세기 및 형상과 비교하였으며, 중앙절대편차를 통해 편차를 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 M31의 간성가스 중간에서 진화한 별과 젊은 별 집단이 먼지 가열에 기여하는 상대적 기여도는 어떻게 되는가?
• RQ2 sSFR 및 NUV−r 색상과 같은 2D 관측 지표가 은하 내에서 진정한 먼지 가열 비율을 신뢰성 있게 추적할 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 기하학적 영향, 먼지 입자 성질, 별 형성 영역의 해상도가 탈투상 복사열전달 모델의 정확도에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ4 관측된 SED 및 M31의 형상 구조가 최소한의 자유 매개변수를 가진 3D 복사열전달 모델로 일관되게 재현될 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 M31의 관측된 SED를 잘 재현하며, 표준 템플릿보다 넓은 UV 볼록부를 보이는 추정된 감쇠 곡선을 제공한다.
• 모든 파장대에서 모델과 관측치 간의 중앙절대편차는 22%이며, 별 형성 고리 영역에서는 체계적인 과소추정, 고리 간 영역에서는 과대추정이 관측된다.
• 진화한 별 집단이 총 흡수된 별 복사 에너지의 91%를 차지하며, 주로 밝은 핵이 10 kpc까지 복사장에 지배적인 영향을 미치기 때문이다.
• 젊은 별 집단은 대부분의 영역에서 복사장의 10–30% 기여하며, 주요 별 형성 고리 내외에서 증가한다.
• sSFR 및 NUV−r 색상은 M31와 M51 전역에서 먼지 가열 비율과 부드럽고 연속적인 관계를 보이며, 일반적인 추적 지표로서의 잠재력을 보여준다.
• 국소적이지 않은 가열과 3D 기하학적 구조는 2D 분석을 복잡하게 만들며, 적외선 복사와 젊은 별 집단 간의 직접적 연관성을 약화시킨다.