[논문 리뷰] The Lyman alpha Reference Sample VI: Lyman alpha escape from the edge-on disk galaxy Mrk1486

Florent Duval, Göran Östlin외 17명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 02.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 89인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 HST 영상 및 분광법과 3D 몬테카를로 복사전달 시뮬레이션을 결합하여 경사진 은하 Mrk1486에서 리만 알파(Lyα) 복사의 탈출을 조사한다. 연구 결과, 중성 수소의 이중성 분출 허브에서의 산란을 통해 리만 알파 광자가 효율적으로 탈출하는 것으로 나타났으며, 이는 관측 기울기 효과로 인해 경사진 은하에서 리만 알파 방출이 억제되어야 한다는 기존의 견해에 도전한다.

ABSTRACT

While numerical simulations suggest that the strength of the Lyman alpha (Lya) line of star-forming disk galaxies strongly depends on the inclination at which they are observed (i.e. from edge-on to face-on, we expect to see a change from an attenuated Lya line to a strong Lya emission line), recent observations with the Hubble space telescope (HST) have highlighted few low-redshift highly inclined (edge-on) disk galaxies that breaks this trend. We aim to understand how a strong Lya emission line is able to escape from one of those inclined disk galaxies, named Mrk1486 (z=0.0338). For that purpose we used a large set of HST imaging and spectroscopic data to investigate both the ISM structure and the dominant source of Lya radiation inside Mrk1486. Moreover, we used a 3D Monte Carlo Lya radiation transfer code to study the radiative transfer of Lya and UV continuum photons inside a 3D geometry of neutral hydrogen (HI) and dust that models the ISM structure at the galaxy center. The analysis of IFU Halpha spectroscopic data of Mrk1486 indicates the presence of two bipolar galactic winds of HI gas above and bellow the disk plane of Mrk1486. Furthermore, comparing different diagnostic diagrams (such as [OIII]5007/Hbeta versus [OI]6300/Halpha) to photo- and shock-ionization models, we find that the Lya production of Mrk1486 is dominated by photoionization inside the galaxy disk. From this perspective, our numerical simulations succeed in reproducing the strength and spectral shape of the observed Lya line of Mrk1486 by assuming a scenario in which the Lya photons are produced inside the disk, travel along the galactic winds and scatter on cool HI materials toward the observer. As bipolar galactic winds are ubiquitous in star-forming disk galaxies, this mechanism may explain the origin of strong Lya emission lines recently observed from highly inclined galaxies at high-redshift.

연구 동기 및 목표

• 경사진 디스크 은하 Mrk1486에서 강력한 리만 알파 방출이 어떻게 탈출할 수 있는지 이해하기 위해, 관측 기하학으로 인해 강한 감쇠가 예상되는 상황에서의 메커니즘을 규명한다.
• 은하 중심 영역에서 리만 알파를 생성하는 데 주로 기여하는 이온화 메커니즘을 규명한다.
• 은하의 간성간 매질(ISM)과 분출 허브를 통해 리만 알파 및 엑스선 광자를 3차원적으로 복사전달하는 모델링을 수행한다.
• 은하의 분출 허브가 고기울기 시스템에서 관측된 리만 알파 선형상과 방출 강도를 설명할 수 있는지 평가한다.
• 은하 형성 디스크 은하에서 리만 알파 성질에 대한 관측 기울기 효과의 강건성을 시험한다.

제안 방법

• 고해상도 HST/COS 분광법 및 영상 촬영을 통해 Mrk1486의 리만 알파 및 Hα 방출을 맵핑하고, 간성간 매질의 구조를 연구한다.
• 통합장치 유닛(IFU) 분광법을 사용하여 디스크 위아래에 위치한 밝은 리만 알파 구조와 일치하는 이중성 중성수소(HI) 분출을 탐지한다.
• 진단 방출선 비율([OIII]/Hβ, [OI]/Hα, [NII]/Hα, [SII]/Hα)을 적용하여 광이온화와 충격 이온화 중 어느 것이 리만 알파의 주요 원인인지 식별한다.
• 3D 몬테카를로 복사전달 코드 MCLya를 사용하여 은하 중심의 중성수소 및 먼지의 3차원 기하구조를 통해 리만 알파 및 엑스선 연속체의 운반을 시뮬레이션한다.
• 관측된 HST/COS 스펙트럼에 시뮬레이션된 리만 알파 선형상과의 일치를 통해 분출 허브의 물리적 매개변수(속도, HI 기둥 밀도, 먼지 투과율, 온도)를 제약한다.
• SiII 선형상 분석을 통해 간성간 매질의 덩어리성(clumpiness)을 평가하였으며, 이는 디스크 내 중성기 덩어리의 총 커버리지 비율이 100%임을 드러냈다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 경사진 디스크 은하 Mrk1486는 높은 기울기로 인해 공명 산란으로 인해 리만 알파 탈출이 억제되어야 할 것임에도 불구하고 강력한 리만 알파 방출을 나타내는가?
• RQ2 Mrk1486 중심 영역에서 리만 알파 광자를 생성하는 데 주로 기여하는 이온화 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 중성수소 분출 허브가 경사진 은하에서 리만 알파 광자의 탈출과 선형상에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 실제 간성간 매질 및 분출 기하구조를 고려한 3D 복사전달 시뮬레이션으로 Mrk1486의 관측된 리만 알파 선형상을 재현할 수 있는가?
• RQ5 은하의 분출 허브가 디스크 은하에서 기대되는 관측 기울기 억제 효과를 어느 정도 완화시킬 수 있는가?

주요 결과

• Mrk1486는 내재된 등가폭이 80 Å인 강력한 리만 알파 방출선을 나타내며, 이는 SED 피팅을 통해 유도된 3.02 ± 0.20 Myr의 성운 연령과 일치한다.
• 리만 알파 선형상이 가장 잘 재현되는 것은 리만 알파 광자가 디스크에서 생성되고, 이중성 분출 허브의 다중 산란을 통해 탈출하는 것을 전제로 한 3D 복사전달 모델이다.
• 디스크 평면 위아래에 위치한 두 개의 밝은 리만 알파 영역은 각각 180 km s⁻¹ 및 100 km s⁻¹의 속도로 분포하는 HI 분출과 공간적으로 일치한다.
• 분출 허브의 HI 기둥 밀도는 3–4 × 10¹⁹ cm⁻²로 매우 높으며, 이는 약 10⁵ M⊙의 총 끼워진 중성수소 질량을 의미하며, 온도는 약 30,000 K이다.
• 은하 디스크의 간성간 매질은 매우 덩어리진 구조를 이루며, SiII 선형상 분석을 통해 중성기 덩어리의 총 커버리지 비율이 100%임을 확인하였다.
• 본 연구는 기존의 관측 기울기 효과를 도전하며, 경사진 은하에서 이중성 분출이 강력한 리만 알파 탈출을 가능하게 하여 고적색편이에서 강력한 리만 알파 방출체가 관측되는 것을 설명할 수 있음을 시사한다.