[논문 리뷰] The Herschel Virgo Cluster Survey. IX. Dust-to-gas mass ratio and metallicity gradients in four Virgo spiral galaxies

L. Magrini, S. Bianchi외 21명|UWA Profiles and Research Repository (University of Western Australia)|2011. 06. 03.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 1인용 수 48

한 줄 요약

이 연구는 허셜 패스 및 스파이어 광도측정, HI 및 CO 가스 지도, 그리고 HII 영역의 산소 농도를 이용하여 비르고 은하단의 네 개의 늦은 유형의 나선파란 은하들(NGC4254, NGC4303, NGC4321, NGC4501)에서 반경 방향의 먼지-가스 질량 비율과 금속성 경향을 조사한다. 연구 결과, 먼지-가스 비율 경향이 산소 농도 경향과 정확히 일치하는 것은 CO-에서 H2로의 변환 인자(X_CO)가 금속성에 따라 변하는 경우에만 가능하며, 특히 분자 가스가 지배하는 내부 영역에서는 은하계 X_CO의 0.1–0.9배 수준의 X_CO 값이 필요하다. 이는 이러한 은하단의 은하들에서 X_CO와 금속성 간의 초선형 또는 선형적 의존성이 존재함을 시사한다.

ABSTRACT

Using Herschel data from the Open Time Key Project the Herschel Virgo Cluster Survey (HeViCS), we investigated the relationship between the metallicity gradients expressed by metal abundances in the gas phase as traced by the chemical composition of HII regions, and in the solid phase, as traced by the dust-to-gas mass ratio. We derived the radial gradient of the dust-to-gas mass ratio for all galaxies observed by HeViCS whose metallicity gradients are available in the literature. They are all late type Sbc galaxies, namely NGC4254, NGC4303, NGC4321, and NGC4501. We examined different dependencies on metallicity of the CO-to-H$_2$ conversion factor (\xco), used to transform the $^{12}$CO observations into the amount of molecular hydrogen. We found that in these galaxies the dust-to-gas mass ratio radial profile is extremely sensitive to choice of the \xco\ value, since the molecular gas is the dominant component in the inner parts. We found that for three galaxies of our sample, namely NGC4254, NGC4321, and NGC4501, the slopes of the oxygen and of the dust-to-gas radial gradients agree up to $\sim$0.6-0.7R$_{25}$ using \xco\ values in the range 1/3-1/2 Galactic \xco. For NGC4303 a lower value of \xco$\sim0.1 imes$ 10$^{20}$ is necessary. We suggest that such low \xco\ values might be due to a metallicity dependence of \xco (from close to linear for NGC4254, NGC4321, and NGC4501 to superlinear for NGC4303), especially in the radial regions R$_G

연구 동기 및 목표

• 비르고 은하단의 나선파란 은하에서 먼지-가스 질량 비율과 기체상 금속성(산소 농도) 간의 반경 방향 상관관계를 조사하기 위해.
• CO-에서 H2로의 변환 인자(X_CO)가 유도된 먼지-가스 비율과 그 반경 방향 경향에 미치는 영향를 평가하기 위해.
• 은하단의 은하들에서 먼지-가스 비율과 산소 농도 경향을 일치시키기 위해 금속성에 따라 변하는 X_CO가 필요한지 테스트하기 위해.
• 특히 분자 가스가 지배하는 영역에서 형태가 교란된 은하들과 다양한 금속성을 가진 은하들에서 X_CO 값을 제약하기 위해.
• 문헌상의 산소 농도를 동일한 보정(KK04)에 맞추고 은하계 X_CO를 하한선으로 사용하여 금속성 경향 측정의 신뢰성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 일반화된 온도를 가진 수정 블랙바디 모델을 사용하여 허셜 패스 및 스파이어 광도측정 데이터를 피팅하여 먼지 질량 표면 밀도 지도를 유도함.
• HI 1차 모멘트 지도와 CO 선 데이터를 조합하여 총 가스 질량을 유도함. CO 방출량을 H2 질량으로 변환하기 위해 다양한 X_CO 값을 사용함.
• 유도된 지도에서 먼지, 원자 가스(HI), 분자 가스(H2)의 반경 방향 프로파일을 도출함. 이때 HI 운동학적 기하학적 매개변수를 활용함.
• 문헌상의 HII 영역에서 얻은 산소 농도 경향과 반경 방향 먼지-가스 질량 비율 경향을 비교함. 일관성을 확보하기 위해 모두 KK04 척도로 재보정함.
• 세 가지 X_CO 의존성 모델을 테스트함: 일정한 값, X_CO ∝ Z⁻¹(선형), X_CO ∝ Z⁻².⁵(초선형). 관측된 먼지-가스 비율과 O/H 경향을 일치시키기 위해 사용함.
• 은하계 X_CO를 사용하여 산소 농도의 기준점을 고정함으로써, 경향 비교에서의 불확실성을 줄임.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 X_CO 값을 사용할 경우, 비르고 나선파란 은하의 먼지-가스 질량 비율과 기체상 산소 농도의 반경 방향 경향이 일치하는가?
• RQ2 산소 농도 경향이 올바르다고 가정할 경우, 관측된 먼지-가스 비율 경향을 재현하기 위해 필요한 X_CO 값은 무엇인가?
• RQ3 특히 분자 가스가 지배하는 영역에서, 이러한 은하단에서 X_CO의 금속성 의존성이 뚜렷한 증거가 있는가?
• RQ4 X_CO의 불확실성이 내부 디스크 영역과 외부 디스크 영역의 유도된 먼지-가스 비율에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ5 관측된 먼지-가스 비율과 산소 농도 경향 간의 일치는 비은하계 X_CO로 설명될 수 있으며, 만약 그렇다면 데이터에 가장 잘 맞는 기능적 형태는 무엇인가?

주요 결과

• NGC4254, NGC4321, NGC4501에서는 X_CO 값을 은하계 값의 0.5–0.9배 범위로 사용할 경우, 먼지-가스 질량 비율과 산소 농도 경향이 약 0.6–0.7 R25 범위 내에서 일치함.
• NGC4303는 관측된 경향을 일치시키기 위해 약 0.1배의 매우 낮은 X_CO 값을 요구함으로써 강한 금속성 의존성이 존재함을 시사함.
• NGC4254의 경우 선형 X_CO-금속성 의존성(X_CO ∝ Z⁻¹)이 데이터를 가장 잘 설명하며, NGC4303의 경우 초선형 의존성(X_CO ∝ Z⁻².⁵)이 필요함.
• NGC4501과 NGC4321의 경우, 은하계 값과 선형 의존성 사이의 중간 수준의 X_CO 값이 경향 일치를 위해 필요함.
• 내부 디스크 영역(R < 0.6–0.7 R25)은 분자 가스가 지배하므로 X_CO 선택에 매우 민감하며, 반면 원자 가스가 지배하는 외부 영역는 영향을 덜 받고 X_CO를 제약할 수 없음.
• 이 연구는 비르고 은하단의 나선파란 은하에서 금속성에 따라 변하는 X_CO가 존재함을 지지하며, 특히 분자 가스가 지배하는 반경 영역에서 그러한 경향이 두드러짐을 강조함. 또한 이 경향을 더 견고히 하기 위해 더 큰 표본이 필요함을 시사함.