[논문 리뷰] The multi-phase gaseous halos of star forming late-type galaxies - I. XMM-Newton observations of the Hot Ionized Medium

R. Tuellmann, W. Pietsch외 3명|arXiv (Cornell University)|2005. 10. 04.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 69

한 줄 요약

이 연구는 근접한 편면 성간은하 9개의 허브에서 흩어진 뜨거운 이온화 기체에 대한 XMM-뉴턴 X선 관측에서 처음으로 고해상도로 수행된 관측을 보고하며, 8개의 경우에 부드러운 X선 허브를 검출했고, 이 중 네 개는 처음으로 고감도로 검출되었다. 결과적으로 다상태 기체 허브—뜨거운 이온화 기체, 흐린 이온화 기체(DIG), 그리고 우주선 허브를 포함—는 디스크 평면의 항성 형성과 일관되게 상관되어 있으며, 디스크에서 떨어질수록 온도, 밀도, 질량이 감소하는 경향을 보이며, 항성 피드백에 의해 지속적으로 추진되는 외부 기류를 시사한다.

ABSTRACT

This study presents first results from an X-ray mini-survey carried out with XMM-Newton to investigate the diffuse Hot Ionized Medium in the halos of nine nearby star-forming edge-on spiral galaxies. Diffuse gaseous X-ray halos are detected in eight of our targets, covering a wide range of star formation rates from quiescent to starburst cases. For four edge-on spiral galaxies, namely NGC3044, NGC3221, NGC4634, and NGC5775, we present the first published high resolution/sensitivity detections of extended soft X-ray halos. EPIC X-ray contour maps overlaid onto Halpha imaging data reveals that in all cases the presence of X-ray halos is correlated with extraplanar Diffuse Ionized Gas. Moreover, these halos are also associated with non-thermal cosmic ray halos, as evidenced by radio continuum observations. Supplemental UV-data obtained with the OM-telescope at 210nm show Diffuse Ionized Gas to be well associated with UV emission originating in the underlying disk. Beside NGC891, NGC4634 is the second non-starburst galaxy with a diffuse soft X-ray halo (|z|<4kpc). In case of NGC3877, for which we also present the first high resolution X-ray imaging data, no halo emission is detectable. EPIC pn spectra (0.3-12keV) of the diffuse X-ray emission are extracted at different offset positions from the disk, giving evidence to a significant decrease of gas temperatures, electron densities, and gas masses with increasing distance to the plane. A comparison between dynamical and radiative cooling time scales implies that the outflow in all targets is likely to be sustained. We find very strong indications that spatially correlated multi-phase gaseous halos are created by star forming activity in the disk plane.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 X선 데이터를 사용하여 항성 형성 늦은 유형 성간은하의 허브에서 흩어진 뜨거운 이온화 매체(HIM)의 존재와 특성을 조사하기 위해.
• X선 허브가 흐린 이온화 기체(DIG)와 비열역학적 우주선(CR) 허브와 공간적 및 물리적으로 상관되어 있는지 확인하기 위해.
• 디스크에서의 항성 형성의 역할이 항성 피드백 과정을 통해 다상태 허브 형성의 주요 원인임을 평가하기 위해.
• 온도, 밀도, 냉각 시간의 반경 기울기를 분석하여 다온도, 다상태 허브 구조의 가설을 테스트하기 위해.
• 역학적 및 복사 냉각 시간 스케일을 비교하여 기류의 역학적 지속 가능성 평가하기 위해.

제안 방법

• XMM-뉴턴 EPIC-pn X선 영상 및 스펙트로스코피를 사용하여 9개의 편면 항성 형성 성간은하를 관측하였으며, 디스크 평면에서 여러 위치를 이격한 곳에서 스펙트럼 추출을 수행하였다.
• X선 등고선도를 Hα 영상 데이터 위에 겹쳐 놓아 X선 허브와 외디스크 흐린 이온화 기체(DIG) 간의 공간적 상관관계를 평가하였다.
• XMM-뉴턴의 OM 망원경에서 확보한 라디오 연속성 및 자외선(210 nm) 데이터를 사용하여 우주선 허브와 젊은 항성 집단을 각각 추적하였다.
• EPIC-pn 스펙트럼(0.3–12 keV)을 이중온도 충돌 이온화 평형(CIE) 플라즈마 모델로 피팅하여 열적 구조와 반경 기울기를 평가하였다.
• 역학적 시간 스케일과 복사 냉각 시간을 계산하고 비교하여 기류의 지속 가능성 평가를 하였다.
• 기체 온도, 전자 밀도, 질량을 디스크 평면에서의 수직 거리(|z|)의 함수로 유도하여 허브 특성의 반경적 진화를 추론하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 항성 형성 편면 성간은하에서 뜨거운 이온화 기체의 X선 허브가 흐린 이온화 기체(DIG)와 우주선(CR) 허브와 공존하는가?
• RQ2 이러한 은하에서 다상태 기체 허브의 존재는 디스크 평면의 항성 형성 활동과 상관관계가 있는가?
• RQ3 허브 내 온도, 전자 밀도, 기체 질량은 디스크 평면에서 떨어질수록 감소하는가?
• RQ4 역학적 시간 스케일과 복사 냉각 시간의 비교에 의해 관측된 기류는 역학적으로 지속 가능한가?
• RQ5 X선 복사가 다온도 플라즈마 모델로 설명될 수 있는가, 아니면 평형 이ON이 아닌 상태가 필요한가?

주요 결과

• 관측된 9개 은하 중 8개에서 연장된 연한 X선 허브가 검출되었으며, 이 중 NGC 3044, NGC 3221, NGC 4634, NGC 5775는 처음으로 고해상도로 검출되었다.
• 모든 X선 허브 검출 사례에서 X선 복사와 외디스크 흐린 이온화 기체(DIG) 및 비열역학적 라디오 연속성 복사 사이에 공간적 상관관계가 있었으며, 이는 디스크 항성 형성에서 기인한 공통의 기원을 시사한다.
• 디스크 내 젊은 항성에서 유래한 210 nm 자외선 연속성 복사와 외디스크 DIG 및 X선 허브 사이에 양호한 상관관계가 있었으며, 다상태 허브의 디스크 주도 기원을 지지한다.
• X선 스펙트럼은 디스크 평면에서 떨어질수록 기체 온도, 전자 밀도, 유도된 기체 질량이 현저히 감소하는 경향을 보이며, 이는 다온도 허브 구조와 일관된다.
• 역학적 시간 스케일과 복사 냉각 시간의 비교 결과, 기류는 모든 검출된 허브에서 지속 가능할 것으로 보이며, 항성 피드백에 의한 지속적인 에너지 공급이 이루어지고 있음을 시사한다.
• NGC 3877에서 허브 미검출은 저항성 형성률 또는 최근의 항성 폭발 때문일 수 있으며, 다상태 허브 형성에 임계 SFR가 존재할 수 있음을 시사한다.