[논문 리뷰] VLT-SINFONI sub-kpc study of the star formation in local LIRGs and ULIRGs: Analysis of the global $\Sigma_{ m SFR}$ structure and characterisation of individual star-forming clumps

Javier Piqueras López, L. Colina외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 11.

Astrophysics and Star Formation Studies인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 17개의 근접한 LIRG 및 ULIRG에서 VLT-SINFONI를 이용한 근적외선 적층 스펙트로스코피를 통해 sub-kpc 척도에서 항성 형성의 지도를 작성하며, Brγ 및 Paα 복사에서 유도된 기장 보정된 항성 형성률 표면 밀도(ΣSFR)를 도출한다. 연구 결과, ULIRG는 LIRG보다 전반적인 ΣSFR가 유의미하게 낮지만, 내부 영역에서는 표면 밀도가 증가해 고적외선 항성 형성률 보정에 대한 해상도 및 거리 효과로 인한 편향 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

We present a 2D study of star formation at kpc and sub-kpc scales of a sample of local (z<0.1) U/LIRGs, based on near-IR VLT-SINFONI observations. We obtained integrated measurements of the star formation rate (SFR) and star formation rate surface density, together with their 2D distributions, based on Br_gamma and Pa_alpha emission. We observe a tight linear correlation between the SFR derived from our extinction-corrected measurements and that derived from 24 micron data, and a reasonable agreement with SFR derived from total IR luminosity. Our near-IR measurements are on average a factor 3 larger than optical SFR, even when extinction corrections are applied. We found that LIRGs have a median-observed star formation rate surface density of 1.72 Msun/yr/kpc^2 for the extinction-corrected distribution, whilst ULIRGs have 0.23 Msun/yr/kpc^2, respectively. These median values for ULIRGs increase up to 2.90 Msun/yr/kpc^2, when only their inner regions, covering the same size as the average FoV of LIRGs, are considered. We identified a total of 95 individual SF clumps in our sample, with sizes within 60-1500pc, and extinction-corrected Pa_alpha luminosities of 10^5-10^8 Lsun. Star-forming clumps in LIRGs are about ten times larger and thousands of times more luminous than typical clumps in spiral galaxies. Clumps in ULIRGs have sizes similar (x0.5-1) to those of high-z clumps, having Pa_alpha luminosities similar to some high-z clumps, and about 10 times less luminous than the most luminous high-z clumps identified so far. We also observed a change in the slope of the L-r relation. A likely explanation is that most luminous galaxies are interacting and merging, and therefore their size represents a combination of the distribution of the star-forming clumps within each galaxy in the system plus the effect of the projected distance.

연구 동기 및 목표

• 근접한 LIRG 및 ULIRG에서 sub-kpc 해상도로 항성 형성률 표면 밀도(ΣSFR)의 이차원 분포를 특성화하는 것.
• U/LIRG 내 개별 항성 형성 덩어리의 식별 및 분석을 통해 그 크기, 발광도, ΣSFR 값을 정량화하는 것.
• 각도 해상도 및 거리가 관측된 ΣSFR 측정치에 미치는 영향을 평가하며, 특히 고적외선 유사체에 대해 고려하는 것.
• Spitzer 24 µm 및 옵티컬 Hα와 비교하여 Paα에서 유도된 기장 보정된 SFR의 일관성을 평가하는 것.
• 관측된 ΣSFR 분포가 고적외선에서 Kennicutt-Schmidt 항성 형성 법칙의 일반성에 어떤 함의를 갖는지 조사하는 것.

제안 방법

• 17개의 근접한 U/LIRG(z < 0.1)에 대해 VLT-SINFONI를 이용한 근적외선 적층 스펙트로스코피를 확보하여 sub-kpc 공간 해상도를 확보한다.
• T = 10,000 K 및 ne = 10⁴ cm⁻³ 조건에서 케이스 B 복구 이론을 사용하여 Brγ 및 Paα 복사선 유량을 측정하고, 기장 보정된 항성 형성률을 유도한다.
• 기장 보정된 Paα 발광도 및 효과적 반경에서 ΣSFR(M⊙ yr⁻¹ kpc⁻²)를 계산하며, 부트스트랩 리샘플링(N = 300)을 통해 불확도를 유도하고 15% 유량 보정 오차와 제곱합을 취한다.
• 공간적으로 해상도가 높은 복사선 분포를 기반으로 개별 항성 형성 덩어리를 식별하며, 局부 최대값 기반 영역 정의 및 크기, Paα 발광도, ΣSFR 측정.
• 거리의 영향을 시뮬레이션하기 위해 LIRG 데이터를 ULIRG의 평균 거리로 재프로젝션하여 중앙 ΣSFR의 인위적 증가를 평가한다.
• 덩어리의 L–ΣSFR 관계를 분석하고, 현지 및 고적외선 샘플과의 기울기(η) 비교를 통해 구조적 진화 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 근접한 LIRG 및 ULIRG에서 관측된 ΣSFR와 기장 보정된 ΣSFR 분포는 sub-kpc 척도에서 어떻게 비교되는가?
• RQ2 극도로 은폐된 U/LIRG에서 Paα, Hα, Spitzer 24 µm 데이터로부터 유도된 SFR 측정치는 어느 정도 일치하는가?
• RQ3 U/LIRG 내 개별 항성 형성 덩어리의 물리적 특성(크기, 발광도, ΣSFR)은 무엇이며, 고적외선 은하의 덩어리와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 각도 해상도 및 적색이동 선택이 유도된 ΣSFR에 어떤 영향을 미치며, 고적외선 항성 형성 법칙 보정에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 현지 샘플과 고적외선 샘플 간의 L–ΣSFR 관계 기울기(η)가 다른 이유는 무엇이며, 이는 고적외선 항성 형성 시스템의 구조적 및 역학적 상태에 대해 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• LIRG의 중앙 관측된 ΣSFR는 1.16 M⊙ yr⁻¹ kpc⁻²이며, 기장 보정 후 1.72 M⊙ yr⁻¹ kpc⁻²로 증가한다; ULIRG의 경우 각각 0.16 및 0.23 M⊙ yr⁻¹ kpc⁻²이다.
• 내부 영역(일반적인 LIRG FoV와 동일)으로 제한할 경우, ULIRG는 관측된 중앙 ΣSFR 1.38 M⊙ yr⁻¹ kpc⁻² 및 보정된 2.90 M⊙ yr⁻¹ kpc⁻²를 보이며, 밀도가 높은 핵심 영역에서의 표면 밀도 증가를 시사한다.
• 시뮬레이션 결과, 동일한 물리적 ΣSFR 분포가 ULIRG의 평균 거리에서 관측될 경우 빔 스메어링 및 해상도 효과로 인해 약 2–3배 가량 인위적으로 증가하는 것으로 나타났다.
• 모든 덩어리 중 95개의 항성 형성 덩어리 식별: LIRG 덩어리의 크기는 60–400 pc이며, Paα 발광도는 10⁵–10⁷ L⊙이다. ULIRG 덩어리의 크기는 300–1500 pc이며, 발광도는 10⁶–10⁸ L⊙이다.
• ULIRG 덩어리의 ΣSFR는 0.1에서 100 M⊙ yr⁻¹ kpc⁻² 사이이며, 가장 밝은 덩어리는 고적외선에서 가장 극단적인 덩어리보다 약 10배 어두운 편이다.
• 고적외선 샘플의 L–ΣSFR 관계 기울기(η)는 1.88이며, 현지 샘플의 3.04보다 유의미하게 낮다. 이는 고적외선에서 상호작용하는 시스템에서 여러 덩어리 및 은하의 중첩으로 인한 것으로 보인다.