[논문 리뷰] The Herschel Virgo Cluster Survey. XI. Environmental effects on molecular gas and dust in spiral disks

C. Pappalardo, S. Bianchi외 20명|UWA Profiles and Research Repository (University of Western Australia)|2012. 07. 20.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 4인용 수 27

한 줄 요약

이 연구는 IRAM 30m 망원경을 이용한 CO(1-0) 및 CO(2-1) 선 관측과 함께 Herschel 및 VIVA 조사 데이터를 결합하여, 바이오 은하단 내 나설파악성에서 분자 가스와 먼지의 환경적 영향을 조사한다. HI 결핍성 은하에서는 분자 가스와 먼지의 경사진 프로파일이 더 급격하며, 먼지 대 가스 비율이 반경 방향으로 일정하거나 증가하는 경향을 보이며, 총 가스 밀도를 고려할 경우 분자 가스와 250 μm 표면 밝기 사이에 강한 선형 상관관계가 존재함을 발견한다.

ABSTRACT

We investigate the dust-to-gas mass ratio and the environmental effects on the various components of the interstellar medium for a spatially resolved sample of Virgo spirals. We have used the IRAM-30m telescope to map over their full extent NGC 4189, NGC 4298, NGC 4388, and NGC 4299 in the 12CO(1-0) and the 12CO(2-1) lines. We observed the same lines in selected regions of NGC 4351, NGC 4294, and NGC 4424. The CO observations are combined with Herschel maps in 5 bands between 100-500 μm from the HeViCS survey, and with HI data from the VIVA survey, to obtain spatially resolved dust and gas distributions. We studied the environmental dependencies by adding to our sample eight galaxies with 12CO(1-0) maps from the literature. We estimate the integrated mass of molecular hydrogen for the galaxies observed in the CO lines. We find molecular-to-total gas mass fractions between 0.04 \leq fmol \leq 0.65, with the lowest values for the dimmest galaxy in the B-band. The integrated dust-to-gas ratio ranges between 0.011 and 0.004. For the 12 mapped galaxies we derive the radial distributions of the atomic gas, molecular gas, and dust. We also study the effect of different CO-to-H2 conversion factors. Both the molecular gas and the dust distributions show steeper radial profiles for HI-deficient galaxies and the average dust-to-gas ratio for these galaxies increases or stays radially constant. On scales of \sim 3 kpc, we find a strong correlation between the molecular gas and the 250 micron surface brightness that is tighter than average for non-deficient galaxies. The correlation becomes linear if we consider the total gas surface mass density. However, the inclusion of atomic hydrogen does not improve the statistical significance of the correlation. The environment can modify the distributions of molecules and dust within a galaxy, although these components are more tightly bound than the atomic gas.

연구 동기 및 목표

• 바이오 은하단 내 나선파악성에서 분자 가스와 먼지의 분포 및 질량 비율에 대한 환경적 영향을 평가하기 위해.
• HI 결핍성이 분자 가스 및 먼지 구성 요소의 경사진 프로파일에 어떤 영향을 미치는지 규명하기 위해.
• CO에서 H₂로의 변환 인자(CO-to-H₂ conversion factors)가 분자 가스 질량 추정에 미치는 역할을 평가하기 위해.
• 총 가스 표면 밀도와 관련하여 250 μm에서의 분자 가스와 먼지 발광 간 상관관계를 조사하기 위해.

제안 방법

• IRAM 30m 망원경을 이용해 네 개의 바이오 나선파악성(NGC 4189, 4298, 4388, 4299)에서 공간 해상도가 높은 CO(1-0) 및 CO(2-1) 선 관측을 수행하였다.
• HeViCS 조사에서 확보한 100–500 μm 범위의 Herschel 광학 맵과 CO 데이터를 융합하여 먼지 표면 밝기를 유도하였다.
• VIVA 조사의 HI 데이터를 통합하여 총 가스 표면 밀도와 함께 HI 결핍도(def_HI)를 결정하였다.
• 추가로 여덟 개의 은하에 대한 문헌 기반 CO 맵을 활용하여 샘플을 확장하고 환경적 경향성을 평가하였다.
• 분자 가스 질량 추정의 불확실성을 평가하기 위해 여러 개의 CO에서 H₂로의 변환 인자를 적용하였다.
• 원자 가스, 분자 가스 및 먼지의 경사진 프로파일을 분석하고, 분자 가스와 250 μm 발광 간의 상관관계를 정량화하였다.

Figure 1: NGC 4189 maps. Top left: 12 CO(1-0) Moment 0 map, contours: 4.2, 6.9, 9.6, 12.3, 15, 17.7 M ⊙ pc -2 . Top right: 12 CO(1-0) Moment 1 with 2000 $\leq$ v $\leq$ 2230 and $\Delta$ v = 28 km s -1 . Middle left: 12 CO(2-1) Moment 0 map, contours: 4, 7.25, 10.5, 13.75, 17, 20.25, 23.5 M ⊙ pc -2

실험 결과

연구 질문

• RQ1 바이오 나선파악성에서의 HI 결핍성은 분자 가스와 먼지의 경사진 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 은하단 내 나선파악성에서 분자 가스 표면 밀도와 250 μm 먼지 발광 간의 관계는 어떠한가?
• RQ3 원자 가스를 포함시키면 분자 가스와 먼지 발광 간 상관관계의 통계적 유의성은 유의미하게 향상되는가?
• RQ4 특히 HI 결핍성 은하에서 먼지 대 가스 질량 비율은 환경에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 다양한 CO에서 H₂로의 변환 인자가 유도된 분자 가스 질량과 환경적 경향성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 관측된 은하들에서 분자 가스 대 총 가스 질량 비율은 0.04에서 0.65 사이이며, B-대역에서 가장 밝지 않은 은하에서 가장 낮은 값을 보였다.
• 통합된 먼지 대 가스 질량 비율은 0.004에서 0.011 사이로 변동하였으며, HI 결핍도가 낮은 시스템에서 더 낮은 값을 보였다.
• HI 결핍성 은하에서는 분자 가스 및 먼지 모두에 대해 더 급격한 경사진 프로파일을 보이며, 환경적 제약이 더 강하다는 것을 시사한다.
• HI 결핍성 은하에서는 먼지 대 가스 비율이 반경 방향으로 일정하거나 외곽으로 갈수록 증가하는 경향을 보이며, 이는 먼지 분포가 환경에 의해 수정되었음을 시사한다.
• 약 3 kpc 스케일에서 분자 가스 표면 밀도와 250 μm 표면 밝기 사이에 강한 상관관계가 존재하며, 총 가스 표면 밀도를 고려할 경우 이 상관관계는 선형으로 나타난다.
• 원자 수소를 포함시키더라도 분자 가스-먼지 상관관계의 통계적 유의성은 유의미하게 향상되지 않아, 밀접한 연관성은 주로 분자 가스와 먼지의 공위치에 의해 주도됨을 시사한다.

Figure 2: H $\alpha$ emission (from GOLDMine) of NGC 4189 (top row) and NGC 4298 (bottom row) with overplotted 12 CO(1-0) (left column), 250 $\mu$ m emission (middle column), and HI surface mass density (right column). The contours of 12 CO(1-0) line are 4.2, 6.9, 9.6, 12.3, 15, and 17.7 M ⊙ pc -2 f