[논문 리뷰] The Nuclear Bulge of the Galaxy. III. Large-Scale Physical Characteristics of Stars and Interstellar Matter

R. Launhardt, R. Zylka외 1명|ArXiv.org|2002. 01. 17.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 64인용 수 241

한 줄 요약

이 연구는 2.2–240 μm 범위의 IRAS 및 COBE DIRBE 데이터를 분석하여 은하핵 부근의 별과 간성물질의 대규모 구조를 모델링하며, 중심 R⁻² 별 집단을 지닌 질량이 크고 디스크 형태의 복합체를 밝혀냈다. 이 복합체는 230±20 pc의 핵심 별 디스크와 함께 일치하는 핵심 분자 디스크를 포함한다. 주요 기여는 기존 운동학적 질량 측정치와 완전히 일치하는 첫 번째 광학적 질량 분포를 제공하며, 30 pc 이상에서 더 평평한 밀도 프로파일과 높은 밀도임에도 강한 복사장 침투를 가능하게 하는 ISM의 극도로 뭉쳐진 특성을 보여준다.

ABSTRACT

We analyse IRAS and COBE DIRBE data at wavelengths between 2.2 and 240 mu of the central 500pc of the Galaxy and derive the large-scale distribution of stars and interstellar matter in the Nuclear Bulge. Models of the Galactic Disk and Bulge are developed in order to correctly decompose the total surface brightness maps and to apply proper extinction corrections. The Nuclear Bulge appears as a distinct, massive disk-like complex of stars and molecular clouds which is, on a large scale, symmetric with respect to the Galactic Centre. It is distinguished from the Galactic Bulge by its flat disk-like morphology, very high density of stars and molecular gas, and ongoing star formation. The Nuclear Bulge consists of an R^-2 Nuclear Stellar Cluster at the centre, a large Nuclear Stellar Disk with radius 230+-20 pc and scale height 45+-5 pc, and a Nuclear Molecular Disk of same size. Its total stellar mass and luminosity are 1.4+-0.6 10^9 M_sun and 2.5+-1 10^9 L_sun, respectively. The total mass of interstellar hydrogen in the Nuclear Bulge is 2+-0.3 10^7 M_sun. Interstellar matter in the Nuclear Bulge is very clumpy with ~90% of the mass contained in dense and massive molecular clouds with a volume filling factor of only a few per cent. This extreme clumpiness enables the strong interstellar radiation field to penetrate the entire Nuclear Bulge and explains the relatively low average extinction towards the Galactic Centre. In addition, we find 4 10^7 M_sun of cold and dense material located outside the Nuclear Bulge, which gives rise to the observed asymmetry in the distribution of interstellar matter in the Central Molecular Zone.

연구 동기 및 목표

• 내부 500 pc 범위에서 다중 파장 적외선 데이터를 사용하여 은하수 디스크와 핵부근의 표면 밝기 기여도를 분리한다.
• 은하핵부근의 진짜 별 및 ISM 복사량을 분리하기 위해 간성물질과-dust의 3차원 분포를 모델링하고, 투과율을 보정한다.
• 기존 운동학적 질량 측정치와 일치하는 중심 500 pc 범위의 광학적 질량 분포를 유도한다.
• 특히 중심 분자지역에서 핵부근의 간성물질의 형태, 질량 분포 및 뭉쳐진 특성(클러스터링)을 특성화한다.
• 높은 기체 및 먼지 밀도에도 불구하고 은하중심 방향 평균 투과율이 낮은 이유를 조밀한 분자구름의 공간 분포와 함몰률 분석을 통해 설명한다.

제안 방법

• 은하수 디스크(GD)를 나선다르의 축대칭 디스크로 모델링하며, 관측된 반경 및 수직 밀도 프로파일을 반영한 H I, H₂, H II 성분을 포함한다.
• 100 pc³ 셀을 사용하는 3차원 격자 기반 모델을 활용해 먼지 복사 및 투과율을 시뮬레이션하며, COBE/DIRBE 240 μm 데이터와 적외선 복사 색온도로 校정한다.
• H₂와 H I에 각각 sech² 및 이중 가우시안 수직 밀도 프로파일을 적용하며, 척도 높이를 Wouterloot 등(1990)의 측정치에 맞춘다.
• Heyer & Terebey(1998)의 기반으로 4개의 나선 패턴을 가진 로그 스파이럴 패턴을 도입하여 FIR 복사 변화를 재현한다.
• Sodroski 등(1994)과 Afflerbach 등(1997)을 기반으로 먼지 온도 및 금속성(Z/Z⊙ = 2)을 설정하며, 관측된 FIR 복사에 맞추어 조정한다.
• 3차원 ISM 모델을 사용해 NIR 표면 밝기의 앞면 및 뒷면 기여를 분리함으로써 핵부근의 정확한 투과율 보정을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하핵부근의 별과 간성물질의 대규모 공간 분포는 어떻게 되어 있는가?
• RQ2 핵부근의 광학적 질량 분포는 운동학적 질량 분포와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 높은 먼지 및 기체 밀도에도 불구하고 은하중심 방향 평균 투과율이 예상보다 낮은 이유는 무엇인가?
• RQ4 핵부근의 간성물질, 특히 중심 분자지역의 형태와 질량 분포는 어떻게 되어 있는가?
• RQ5 간성물질의 뭉쳐진 특성은 복사장의 침투 및 관측된 복사에 어떻게 영향을 주는가?

주요 결과

• 핵부근의 총 별 질량은 1.4 ± 0.6 × 10⁹ M⊙이며, 빛의 총 빛의 세기는 2.5 ± 1 × 10⁹ L⊙이다. 이 중 70%의 빛은 중심 R⁻² 별 집단의 젊고 질량이 큰 주계열 별에서 기인한다.
• 핵심 별 디스크는 230 ± 20 pc까지 연장되며 척도 높이는 45 ± 5 pc이다. 이 디스크의 더 평평한 밀도 프로파일이 30 pc 이상에서 질량 분포를 지배하며, 이는 더 큰 반경에서 단순한 R⁻² 법칙과 모순된다.
• 핵부근의 총 간성물질 수소 질량은 2.0 ± 0.3 × 10⁷ M⊙이며, 이 중 80%는 냉각된 질량이 큰 외부 토러스에, 20%는 따뜻한 내부 디스크(R ≈ 110 ± 20 pc)에 있다.
• 간성물질은 극도로 뭉쳐져 있으며, 질량의 90%가 조밀하고 질량이 큰 분자구름에 있으며, 부피 함몰률은 몇 퍼센트에 불과하여 강력한 복사장 침투를 가능하게 한다.
• 양의 경도에서 추가로 3 × 10⁷ M⊙의 냉각되고 조밀한 물질이, 음의 경도에서 1 × 10⁷ M⊙의 물질이 발견되어 중심 분자지역의 ISM 분포 비대칭성을 설명한다.
• 이 연구에서 유도된 광학적 질량 분포는 은하 중심 500 pc 범위에서 기존 운동학적 질량 분포와 완전히 일치하는 첫 번째이자 유일한 것이다.