[논문 리뷰] The Lyman Alpha Reference Sample XI: Efficient Turbulence Driven Ly{\alpha} Escape and the Analysis of IR, CO and [C II]158 {\mu}m

Johannes Puschnig, Matthew Hayes외 9명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 20.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 199인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 라이만 알파 참조 샘플에서 유래한 14개의 국지적 성간 별 형성 은하에 대해 다파장 관측을 통해 라이만 알파 탈출 메커니즘을 조사한다. 연구 결과, 은하간 매질 내 난류가 효율적인 라이만 알파 탈출을 이끄는 것으로 밝혀졌으며, 라이만 알파 탈출 분율과 총 가스 고갈 시간 사이에 강한 선형 상관관계가 존재한다. 또한 비AGN 은하에서 관측된 바 있는 가장 극단적인 [C II]158µm 대 FIR 비율을 기록한 LARS 5를 규명하였다.

ABSTRACT

We study the global dust and (molecular) gas content in the Lyman Alpha Reference Sample (LARS), i.e. 14 local star-forming galaxies. We characterize their interstellar medium and relate newly derived properties to quantities relevant for Ly$\alpha$ escape. We observed LARS galaxies with Herschel/PACS, SOFIA/FIFI-LS, the IRAM 30m telescope and APEX, targeting far-infrared (FIR) continuum and emission lines of [C II]158$\mu$m, [O I]63$\mu$m, [O III]88$\mu$m and low-J CO lines. Using Bayesian methods we derive dust model parameters and estimate total gas masses for all LARS galaxies, taking into account a metallicity-dependent gas-to-dust ratio. Star formation rates were estimated from FIR, [C II]158$\mu$m and [O I]63$\mu$m luminosities. LARS covers a wide dynamic range in the derived properties, with FIR-based star formation rates from $\sim$0.5-100 $M_{\odot}\ yr^{-1}$, gas fractions between $\sim$15-80% and gas depletion times ranging from a few hundred Myr up to more than 10 Gyr. The distribution of LARS galaxies in the $\Sigma_{gas}$ vs. $\Sigma_{SFR}$ (Kennicutt-Schmidt plane) is thus quite heterogeneous. However, we find that LARS galaxies with the longest gas depletion times, i.e. relatively high gas surface densities ($\Sigma_{gas}$) and low star formation rate densities ($\Sigma_{SFR}$), have by far the highest Ly$\alpha$ escape fraction. A strong $\sim$linear relation is found between Ly$\alpha$ escape fraction and the total gas (HI+H$_2$) depletion time. We argue that the Ly$\alpha$ escape in those galaxies is driven by turbulence in the star-forming gas that shifts the Ly$\alpha$ photons out of resonance close to the places where they originate. We further report on an extreme [C II]158$\mu$m excess in LARS 5, corresponding to $\sim$14$\pm$3% of the FIR luminosity, i.e. the most extreme [C II]-to-FIR ratio observed in a non-AGN galaxy to date.

연구 동기 및 목표

• 별 형성 은하에서 라이만 알파 광자 탈출을 지배하는 물리적 메커니즘을 이해하고, 특히 난류의 역할을 규명한다.
• 먼지 함량, 분자 가스, 광자에 의해 영향을 받는 영역의 가스를 측정하여 LARS 은하의 은하간 매질을 특성화한다.
• 전반적인 가스 및 별 형성 특성과 라이만 알파 탈출 분율 간의 관계를 규명하고 탈출 효율의 주요 원인을 특정한다.
• LARS 5에서 관측된 극단적인 [C II]158µm 방출의 기원을 조사하고, 난류 및 복사 과정과의 연관성을 밝힌다.

제안 방법

• 헤르슐/PACS, 소피아/FIFI-LS, 이라엠 30m, APEX를 사용하여 원격 적외선 및 밀리미터파 관측을 수행하여 [C II]158µm, [O I]63µm, [O III]88µm, 그리고 저-진동수 CO 선을 탐지한다.
• 드레인 및 리(2007)의 먼지 복사 모델에 베이지안 피팅을 적용하여 먼지 및 가스 특성(금속성에 따라 달라지는 가스 대 먼지 비율 포함)을 유도한다.
• empirical 보정을 사용하여 FIR, [C II]158µm, [O I]63µm 빛의 세기를 기반으로 별 형성률을 계산한다.
• 스펙트럼 복사 에너지 분포 피팅 및 선 빛의 세기를 기반으로 총 가스 질량(HI + H₂)과 가스 고갈 시간을 유도한다.
• 공간적으로 분해된 운동학 및 선 이동을 분석하여 LARS 5에서 [C II]158µm 과도 방출이 난류와 연관되어 있음을 규명한다.
• 가스 표면 밀도(Σgas) 및 별 형성률 표면 밀도(ΣSFR)의 분포를 맵핑하여 케니쿠트-스미스 척도 관계를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 난류가 별 형성 은하에서 라이만 알파 탈출 분율을 높이는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ2 LARS 샘플 전반에서 가스 고갈 시간 척도와 라이만 알파 탈출 분율 간의 상관관계는 어떠한가?
• RQ3 LARS 5에서 관측된 극단적인 [C II]158µm 대 FIR 빛의 세기 비율은 무엇에 기인하는가?
• RQ4 먼지 함량, 금속성, 가스 기하학적 구조는 이러한 은하들에서 라이만 알파 복사 전달에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 [C II]158µm 및 [O I]63µm 빛의 세기는 저금속성 체계에서 신뢰할 수 있는 별 형성률 지표로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 라이만 알파 탈출 분율과 총 가스(HI + H₂) 고갈 시간 사이에 강한 선형 상관관계가 발견되었으며, 고갈 시간이 긴 은하일수록 라이만 알파 탈출 분율이 유의미하게 높았다.
• LARS 은하는 별 형성률(0.5–100 M⊙ yr⁻¹), 가스 비율(15–80%), 가스 고갈 시간(수백 Myr에서 10 Gyr 이상) 등 광범위한 다이나믹 레인지에서 변동을 보였다.
• LARS 5는 비AGN 은하에서 관측된 바 있는 가장 극단적인 [C II]158µm 대 FIR 빛의 세기 비율을 기록하였으며, FIR 빛의 세기의 약 ∼14±3%에 해당했다.
• LARS 5의 [C II]158µm 선은 시스템적 속도에 비해 블루시프트되어 있어 강력한 난류 성분이 존재하며, 이는 선 방출의 향상에 기여할 가능성이 있다.
• 높은 가스 표면 밀도와 낮은 별 형성률 표면 밀도(즉, 긴 가스 고갈 시간)를 가진 은하가 가장 높은 라이만 알파 탈출 분율을 보였다.
• 별 형성 영역 내 난류가 라이만 알파 광자를 공명 분산에서 벗어나게 하는 주요 메커니즘으로 제안되며, 이는 공명 분산에도 불구하고 탈출을 가능하게 한다.