[논문 리뷰] VLT-VIMOS integral field spectroscopy of luminous and ultraluminous infrared galaxies II. Evidence for shock ionization caused by tidal forces in the extra-nuclear regions of interacting and merging LIRGs

A. Monreal‐Ibero, Santiago Arribas외 4명|arXiv (Cornell University)|2010. 04. 22.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 83인용 수 69

한 줄 요약

이 연구는 32개의 빛나는 적외선 간성은은하(LIRGs)의 비핵 영역에서 이온화 메커니즘을 분석하기 위해 VLT-VIMOS 적층장치 스펙트로스코피를 사용한다. 상호작용 단계가 진행될수록 조우력이 충격 이온화를 유도함을 발견하였으며, 이는 상호작용 단계가 높아질수록 [S ii]/Hα 및 [O i]/Hα 선비와 속도 분산이 증가함으로써 뚜렷하게 드러나며, 이는 적외선 빛의 세기나 항성 형성률과는 무관하다.

ABSTRACT

LIRGs are an important class of objects in the low-z universe bridging the gap between normal spirals and the strongly interacting and starbursting ULIRGs. Studies of their 2D physical properties are still lacking. We aim to understand the nature and origin of the ionization mechanisms operating in the extranuclear regions of LIRGs as a function of the interaction phase and L_IR by using IFS data obtained with VIMOS. Our analysis is based on over 25300 spectra of 32 LIRGs covering all types of morphologies and the entire 10^11-10^12 L_sun range. We found strong evidence for shock ionization, with a clear trend with the dynamical status of the system. Specifically, we quantified the variation with interaction phase of several line ratios indicative of the excitation degree. While the [NII]/Ha ratio does not show any significant change, the [SII]/Ha and [OI]/Ha ratios are higher for more advanced interaction stages. We constrained the main mechanisms causing the ionization in the extra-nuclear regions using diagnostic diagrams. Isolated systems are mainly consistent with ionization caused by young stars. Large fractions of the extra-nuclear regions in interacting pairs and more advanced mergers are consistent with ionization caused by shocks. This is supported by the relation between the excitation degree and the velocity dispersion of the ionized gas, which we interpret as evidence for shock ionization in interacting galaxies and advanced mergers but not in isolated galaxies. This relation does not show any dependence with L_IR. All this indicates that tidal forces play a key role in the origin of the ionizing shocks in the extra-nuclear regions. We also showed what appears to be a common [OI]/Ha-sigma relation for the extranuclear ionized gas in interacting (U)LIRGs. This needs to be investigated further with a larger sample of ULIRGs.

연구 동기 및 목표

• 다양한 상호작용 단계에서 LIRG의 비핵 영역에서 이온화 메커니즘의 기원과 성격을 이해하기 위해.
• 이 영역에서 항성 형성, AGN 활동, 또는 조우력 중 어느 것이 이온화를 지배하는지 규명하기 위해.
• 충격과 난류와 같은 역학적 과정이 LIRG의 이온화 구조를 어떻게 형성하는지 평가하기 위해.
• 이온화 메커니즘이 적외선 빛의 세기나 상호작용 단계와 관련이 있는지 조사하기 위해.
• 충격에 의한 이온화가 LIRG 및 ULIRG 빛의 세기 범위 전반에서 일반적인가를 테스트하기 위해.

제안 방법

• 10^11–10^12 L⊙ 적외선 빛의 세기 범위에 걸쳐 있는 32개의 LIRGs에 대해 Very Large Telescope(VLT)의 VIMOS 장치를 사용하여 광학적 적층장치 스펙트로스코피(IFS) 데이터를 확보하였다.
• 모든 상호작용 단계(고립, 상호작용 쌍, 고도로 융합된 시스템)를 포함하는 25,300개 이상의 공간적으로 분해된 스펙트럼을 분석하였다.
• 진단 다이어그램(예: [S ii]/Hα 대비 [N ii]/Hα 및 [O i]/Hα 대비 [N ii]/Hα)을 사용하여 이온화 원천을 구분: 항성 형성, 충격, 또는 AGN.
• 선비, 특히 [S ii]λλ6717,6731/Hα, [O i]λ6300/Hα, [N ii]λ6584/Hα를 통해 이온화 자극도를 정량화하였다.
• 이온화된 기체의 속도 분산(σ)을 측정하여 자극도와의 상관관계를 분석하고 충격 기여도를 추론하였다.
• 상호작용 유형(0: 고립, 1: 상호작용 쌍, 2: 고도로 융합된 시스템)과 빛의 세기 범위에 따라 결과를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 상호작용 단계에서 LIRG의 비핵 영역에서 지배적인 이온화 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 이온화 자극도는 상호작용 단계와 속도 분산과 어떻게 변화하는가?
• RQ3 충격 이온화가 LIRGs에서 조우력에 의해 유도되는가, 아니면 항성 형성에 의해 유도되는 슈퍼윈드에 의해 유도되는가?
• RQ4 이온화 메커니즘이 적외선 빛의 세기나 항성 형성률과 관련이 있는가?
• RQ5 상호작용 및 융합 LIRGs 및 ULIRGs에서 [O i]/Hα와 속도 분산 사이에 일반적인 관계가 존재하는가?

주요 결과

• [S ii]/Hα 및 [O i]/Hα 선비가 상호작용 단계가 높아질수록 유의미하게 증가하여, 상호작용 및 융합 시스템에서 더 강한 충격 이온화가 발생하고 있음을 나타낸다.
• 고립 시스템(클래스 0)에서 중앙값 속도 분산은 37 km s⁻¹에서 고도로 융합된 시스템(클래스 2)에서는 51 km s⁻¹로 증가하였으며, 일반적인 나선은은하의 값보다 높았다.
• 상호작용 및 융합 LIRGs에서 이온화 자극도(측정 기준: [O i]/Hα 및 [S ii]/Hα)와 속도 분산 사이에 명백한 정적 상관관계가 존재하여 충격에 의한 이온화를 지지한다.
• 이 상관관계는 고립 LIRGs에서는 관찰되지 않아 충격이 비상호작용 시스템에서는 중요하지 않음을 시사한다.
• 이온화 메커니즘은 적외선 빛의 세기나 항성 형성률과 무관하여, 조우력이 충격의 주요 원인이며 항성 형성 피드백이 아님을 시사한다.
• 초기 결과에 따르면 LIRGs와 ULIRGs 전반에서 공통된 log([O i]λ6300/Hα)–log(σ) 관계가 존재하여, 상호작용 시스템에서 일반적인 조우력에 의한 충격 기원이 있음을 시사한다.