[논문 리뷰] X-ray sources in the starburst spiral galaxy M83: nuclear region and discrete source population

Roberto Soria, Kinwah Wu|ArXiv.org|2002. 01. 04.

Astrophysical Phenomena and Observations참고 문헌 17인용 수 30

한 줄 요약

이 연구는 M83 은하의 초신성 폭발을 일으키는 나선은하에서의 Chandra ACIS-S3 X선 데이터를 분석하여 81개의 분리된 소스를 규명하고 핵부의 비분리된 방사선을 특성화한다. 핵부 X선 방사선의 50%가 비분리되어 있으며, 이 중 70%는 초신성과 대질량 항성에 의해 풍부해진 고온 플라즈마에서 기인하며, 핵부와 디스크 소스의 밝기 함수가 다름을 확인하여 핵부에서 계속 일어나는 강력한 항성 형성 활동을 시사한다.

ABSTRACT

Chandra has resolved the starburst nuclear region of the face-on grand-design spiral M83. Eighty-one point sources are detected above 3.5 sigma in the ACIS S3 image, and 15 of them are within the inner 16-arcsec region of the galaxy. A point source with L_x ~ 3 x 10^(38) erg/s in the 0.3--8.0 keV band is found to coincide with the infra-red nuclear photometric peak, one of the two dynamical nuclei of the galaxy. No point-like sources are resolved (at a 2.5-sigma level) at the centre of symmetry of the outer optical isophote ellipses, suspected to be another dynamical nucleus. About 50% of the total emission in the nuclear region is unresolved; of this, about 70% can be attributed to hot thermal plasma, and the rest is probably due to unresolved point sources (eg, faint X-ray binaries). The azimuthally-averaged radial distribution of the unresolved emission has a King-like profile, with no central cusp. Strong emission lines are seen in the spectrum of the optically thin plasma component. The high abundances of C, Ne, Mg, Si and S with respect to Fe suggest that the interstellar medium in the nucleus is enriched and heated by type-II supernova explosions and winds from massive stars. The cumulative luminosity distribution of the discrete X-ray sources is neither a single nor a broken power law. Separating the sources in the nuclear region (within a distance of 60 arcsec from the X-ray centre) from the rest reveals that the two groups have different luminosity distributions. The log[N(>S)]--log S curve of the sources in the inner region (nucleus and stellar bar) is a single power law, which we interpret as due to continuous, ongoing star formation. Outside the central region, there is a smaller fraction of sources brighter than the Eddington limit for an accreting neutron star.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 Chandra 데이터를 이용하여 M83의 초신성 폭발 핵부의 X선 소스 집단을 규명하고 특성화하기.
• 핵부 영역의 비분리된 X선 방사선의 기원을 밝혀내며, 확산된 플라즈마와 비분리된 점원천을 구분하기.
• 핵부 영역(60″ 이내)과 디스크 영역의 X선 소스 집단을 비교하기 위해 이산 X선 소스의 밝기 함수를 조사하기.
• 초신성 잔여물과 항성 바람이 핵부 간성간 매질의 X선 스펙트럼을 어떻게 형성하는지 평가하기.
• 외곽 광학 등고선 중심에 둘째 역학적 핵이 존재하는지 여부를 X선 점원천 탐지로 검증하기.

제안 방법

• ACIS-S3 칩에서 0.3–8.0 keV 대역에서 3.5-σ 임계값으로 CIAO celldetect 알고리즘을 사용하여 소스 탐지.
• XSPEC를 이용한 개별 소스 및 비분리된 방사선의 스펙트럼 피팅에 있어, 흡수된 열 플라즈마(Raymond-Smith), 디스크 블랙보디, 그리고 파wr-레인지 성분을 포함한 모델 사용.
• 에너지에 따라 변하는 노출도 맵을 1.0, 1.7, 3.0 keV에서 사용하여 노출 보정을 통해 순수한 개수율 도출.
• 방향 평균을 이용한 비분리된 방사선의 반경 방사 밝기 프로파일 분석을 실시하고, King 유사 프로파일에 적합.
• 60″ 반경 이내 및 이외의 소스에 대해 누적 밝기 함수(log N(>S)–log S) 분석을 실시하여 소스 집단 비교.
• 발광선(예: He-유사 C, Ne, Mg, Si, S)을 통해 플라즈마 온도, 금속 농도, 반경 방향 속도를 추론하기 위한 스펙트럼 선 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 M83의 핵부에서 비분리된 X선 방사선의 성격과 기원은 무엇인가?
• RQ2 핵부 영역과 은하 디스크 영역의 이산 X선 소스 밝기 함수는 어떻게 다를까?
• RQ3 총 핵부 X선 밝기에서 고온 열 플라즈마와 비분리된 점원천의 기여도는 각각 얼마인가?
• RQ4 외곽 광학 등고선 중심에 둘째 역학적 핵이 존재하는지 여부를 X선 점원천 탐지로 확인할 수 있는가?
• RQ5 비분리된 스펙트럼에서의 고금속 농도와 적색 이동된 발광선은 간성간 매질의 오염 및 운동학적 특성에 대해 무엇을 시사하는가?

주요 결과

• 3.5-σ 이상의 이격된 X선 소스 81개가 탐지되었으며, 그 중 15개는 M83의 내부 16″ 내에 위치.
• L_X ≈ 3×10³⁸ erg s⁻¹ 인 점원천이 적외선 핵부 광학 피크와 정합하여, 둘 중 하나의 역학적 핵으로 확인됨.
• 외곽 광학 등고선 중심에는 점원천이 해소되지 않았으며(2.5-σ 한계), 둘째 의심되는 역학적 핵에 밝은 X선 소스가 존재하지 않음.
• 총 핵부 X선 방사선의 50%가 비분리되어 있으며, 이 중 70%는 고온 열 플라즈마(kT ≈ 0.60 keV)에서 기인하고, 30%는 비분리된 점원천과 PSF 날개에서 기인함.
• 비분리된 방사선의 반경 프로파일은 중심 평탄부와 쿠스 없이 확장된 King 유사 프로파일을 따르며, 항성 형성 아치를 초월함.
• 비분리된 스펙트럼은 C, Ne, Mg, Si, S의 강한 발광선을 보이며, 적색 이동 속도 약 7000 km s⁻¹로, 제2형 초신성과 월프-레이트 별 바람에서 기인한 금속 농도가 높고, 외부로 빠져나가는 플라즈마를 시사함.