[논문 리뷰] Dust Extinction and Emission in a Clumpy Galactic Disk. An Application of the Radiative Transfer Code TRADING

S. Bianchi|ArXiv.org|2008. 07. 18.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 70인용 수 70

한 줄 요약

이 논문은 산란된 가스 디스크 내에서 먼지 흡수와 복사를 자가일관적으로 모델링하는 몬테카를로 복사전달 코드인 TRADING을 제시한다. 이 코드는 밀도가 높은 구름과 희박한 성분을 해상도를 조절하는 적응형 격자를 사용하여 해상도를 높인다. 이는 UV에서 submm에 이르는 NGC 891의 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 잘 재현하며, 먼지 복사의 60%가 오래된 항성 집단에 의해 가열된 것으로 나타나며, 희박한 가스에 의한 복사에 의해 가열된 차가운 복사가 상당히 존재함을 보여주어 이전 모델이 자외선(UV) 가열 기여도를 과대평가했다는 것을 도전한다.

ABSTRACT

AIMS: I present the Monte Carlo radiative transfer code TRADING (Transfer of RAdiation through Dust In Galaxies). The code computes self-consistently the extinction of radiation in a dusty medium (including absorption and scattering) and the dust emission. METHODS: A binary-tree adaptive grid is used for the description of the dust distribution. Dust radiation is computed at thermal equilibrium or under stochastic heating condition, for a distribution of grains of different radii and materials. The code is applied to the case of a clumpy galactic disk, including both diffuse dust and a distribution of spherical clouds modelled on the GMCs of local galaxies. Diffuse and localised sources of starlight are used, with independent spectra. RESULTS: A model is provided for the edge-on galaxy NGC 891. The SED of the galaxy from the UV to the submm/mm range can be well reproduced by: a bulge/disk configuration of old stars together with an extended dust disk, as suggested by the analysis of optical/near-infrared images; a clumpy dust distribution of the same mass as the diffuse dust disk, together with a UV emitting component, half of which in the form of a diffuse disk and half in sources embedded in clouds. In total, it is found that about 35% of the bolometric radiation is absorbed (and emitted) by dust; and that absorption of starlight from the old population contributes to about 60% of the dust emission. A significant component of the dust emission from clouds is due to absorption of diffuse radiation. Radial profiles of dust emission in a clumpy disk are almost independent of the wavelength, with the exception of the wavelength range on the Wien side of the thermal equilibrium peak.

연구 동기 및 목표

• 비균일한 은하 먼지 분포에서 먼지 흡수와 복사를 동시에 모델링할 수 있는 자가일관적인 복사전달 코드를 개발하는 것.
• 특히 분자구름 유사 영역을 포함한 산란된 먼지 구조가 나선파 은하의 전반적 스펙트럼 에너지 분포(SED)에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 특히 경사진 은하인 NGC 891와 같은 시스템에서, 희박한 별원과 임베디드된 별원이 먼지 가열에 기여하는 비율을 규명하는 것.
• 기존의 희박한 먼지와 응집된 먼지 성분을 별도로 처리하는 표준 모델이 먼지 가열에 있어 자외선 복사의 기여도를 과대평가하는지 평가하는 것.
• 적응형 격자 해상도가 복잡한 다중 척도 은하 환경에서 먼지 복사 및 흡수 예측 정확도를 어떻게 향상시키는지 탐색하는 것.

제안 방법

• TRADING는 3차원 먼지 분포에서 광자 전파를 시뮬레이션하기 위해 몬테카를로 복사전달 기법을 사용한다. 이는 희박한 성분과 산란된 성분을 모두 포함한다.
• 고밀도 영역(예: 분자구름)을 저밀도 영역보다 더 높은 공간 해상도로 해상하기 위해 적응형 이진수 나무 격자를 사용한다.
• 드레인 및 리(2007)의 먼지 모델을 사용하여 입자 크기와 조성의 분포에 따라 열평형 및 확률적 가열 조건에서 먼지 복사를 계산한다.
• 희박한 별원과 국소적 별원(노란색 별과 젊은 별)으로부터의 은하빛을 별도의 스펙트럼으로 시뮬레이션하고, 먼지와의 상호작용을 추적한다.
• 에너지 보존과 정확한 SED 구성 보장을 위해 자가흡수와 산란을 복사전달에 포함한다.
• 코드는 UV에서 submm 파장에 걸쳐 이미지를 생성하고 이를 통합하여 관측 결과와 비교하기 위한 총 SED를 생성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나선파 은하인 NGC 891의 예측 SED에 대해 산란된 먼지 구조를 포함시키면 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 산란된 디스크에서 먼지 복사의 어느 정도가 직접적으로 임베디드된 젊은 별이 아닌, 희박한 간성간 복사에 의해 가열되는가?
• RQ3 젊은 별에 비해 오래된 항성 집단이 경사진 은하에서 먼지 가열에 기여하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 정규 격자에 비해 적응형 격자 해상도가 먼지 복사 및 흡수 모델링 정확도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 어떤 모델이 관측 결과에 비해 MIR 복사를 과대예측하고 submm 복사를 과소예측하는가?

주요 결과

• UV에서 submm에 이르는 NGC 891의 SED는 희박한 먼지 디스크(τ_V ≈ 1)와 유사 질량의 산란된 먼지 성분을 조합한 모델로 잘 재현된다.
• 총 볼로메트릭 라디에이션의 약 35%가 먼지에 의해 흡수되어 재방출되며, 이 중 60%가 오래된 항성 집단의 복사에 의해 가열된다.
• 산란된 먼지 덩어리에서 발생하는 상당한 비율의 먼지 복사는 임베디드된 UV 원천뿐만 아니라 희박한 간성간 복사에 의해 가열되며, 이는 이전 모델이 포착하지 못한 차가운 submm 복사로 이어진다.
• 산란 모델에서 MIR에서 submm 영역에 걸쳐 먼지 복사의 반경 프로파일은 열피크의 유프레인 측(20–100 μm)을 제외하고 거의 파장에 의존하지 않는다.
• 희박한 성분과 응집된 성분을 자가일관적으로 처리함으로써, 이전 모델보다 관측된 K-band 흡수와 850 μm 형태를 더 잘 설명한다.
• MIR에서 모델과 관측 결과의 괴리 원인은 해결되지 않은 ISM 복잡성 또는 단순화된 ISRF일 수 있으며, 향후 모델에서 더 세밀한 ISM 구조가 필요하다는 것을 시사한다.