[논문 리뷰] Dust, Gas, and Metallicities of Cosmologically Distant Lens Galaxies

Bin Chen, Xinyu Dai외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 31.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 4인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 10개의 중력 렌즈 시스템의 찬드라 X선 데이터를 분석하여 고적색도 렌즈 은하에서 먼지-가스 비율, 금속성도 및 차등 투과율을 측정한다. 연구는 금속성도와 먼지-가스 비율 간의 선형 상관관계를 발견하여 금속-먼지 비율이 일정하다는 것을 시사하며, 고적색도에서 평균 먼지-가스 비율이 낮은 (0.54×10⁻²² mag cm² atom⁻¹) 것으로 나타나 우주론적 금속성도 진화와 초기 은하에서의 빠른 먼지 형성에 대한 증거를 제공한다.

ABSTRACT

We homogeneously analyzed the \chandra\ X-ray observations of 10 gravitational lenses, HE 0047-1756, QJ 0158-4325, SDSS 0246-0805, HE 0435-1223, SDSS 0924+0219, SDSS 1004+4112, HE 1104-1805, PG 1115+080, Q 1355-2257, and Q 2237+0305, to measure the differential X-ray absorption between images, the metallicity, and the dust-to-gas ratio of the lens galaxies. We detected differential absorption in all lenses except SDSS 0924+0219 and HE 1104-1805. This doubles the sample of dust-to-gas ratio measurements in cosmologically distant lens galaxies. We successfully measured the gas phase metallicity of three lenses, Q 2237+0305, SDSS 1004+4112, and B 1152+199 from the X-ray spectra. Our results suggest a linear correlation between metallicity and dust-to-gas ratio (i.e., a constant metal-to-dust ratio), consistent with what is found for nearby galaxies. We obtain an average dust-to-gas ratio $E(B-V)/N_H=1.17^{+0.41}_{-0.31} imes 10^{-22} m mag\,cm^2\,atom^{-1}$ in the lens galaxies, with an intrinsic scatter of $ m0.3\,dex$. Combining these results with data from GRB afterglows and quasar foreground absorbers, we found a mean dust-to-gas ratio $\mdtg,$ now significantly lower than the average Galactic value, $1.7\, imes 10^{-22}\, m mag\, cm^{2}\, atoms^{-1}.$ This suggests evolution of dust-to-gas ratios with redshift and lower average metallicities for the higher redshift galaxies, consistent with current metal and dust evolution models of interstellar medium. The slow evolution in the metal-to-dust ratio with redshift implies very rapid dust formation in high redshift ($z>2$) galaxies.

연구 동기 및 목표

• 같은 배경 퀘이사의 여러 이미지 간의 X선 흡수 차이를 이용해 고적색도 렌즈 은하의 먼지-가스 비율과 금속성도를 측정하기.
• 은하수 및 근처 은하에서 관측된 것과 같이 우주 시간에 걸쳐 금속-먼지 비율이 일정하다는 가설을 검증하기.
• 먼지-가스 비율이 적색도에 따라 변화하는지 조사하여 초기 은하의 간성간 매질 진화 및 먼지 형성 시간 상수에 대한 제약 조건을 제공하기.
• 렌즈 데이터를 고에너지 빛의 잔여광 및 퀘이사 DLA 측정치와 융합하여 안정적인 적색도 의존 평균 먼지-가스 비율을 유도하기.

제안 방법

• 동일한 배경 퀘이사의 여러 이미지 간의 차등 X선 투과율을 탐지하기 위해 10개의 중력 렌즈 시스템의 찬드라 X선 관측 자료를 활용.
• X선 스펙트럼을 피팅하여 중성 수소 열량 밀도(N_H)와 E(B-V) 투과도를 유도하고, 먼지-가스 비율 E(B-V)/N_H를 계산.
• X선 스펙트럼 분석을 통해 세 개의 렌즈 은하(Q 2237+0305, SDSS 1004+4112, B 1152+199)의 기체상 금속성도를 측정.
• 렌즈 데이터를 12개의 고에너지 빛의 잔여광 및 5개의 퀘이사 DLA 시스템의 기존 측정치와 융합하여 적색도 의존 평균 먼지-가스 비율을 계산.
• 금속성도와 먼지-가스 비율 간의 선형 상관관계 모델을 적용하여 적색도 전역에서 금속-먼지 비율 일관성을 추론.
• 내재 산란 모델링을 적용하여 먼지-가스 비율의 변동성을 평가하고, 은하수 및 국지 ISM 값과 결과를 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하수에서 관측된 것과 같이, 고적색도 렌즈 은하에서 금속성도와 먼지-가스 비율 간에 선형 상관관계가 존재하는가?
• RQ2 우주적으로 먼지가 많은 렌즈 은하에서의 평균 먼지-가스 비율(z < 1)은 얼마이며, 은하수 값과 비교해 볼 때 어떻게 다른가?
• RQ3 먼지-가스 비율이 적색도에 따라 변화하는가? 만약 그렇다면, 이는 초기 은하의 금속성도 진화에 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 고적색도(z > 2)에서 고에너지 빛의 잔여광 및 퀘이사 DLA 시스템에서 유도된 먼지-가스 비율은 렌즈 퀘이사에서 유도된 값과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 관측된 먼지-가스 비율의 변화는 고적색도 은하에서 먼지 형성 시간 상수에 대해 어떤 시사점을 갖는가?

주요 결과

• 10개 렌즈 시스템 중 8개에서 차등 X선 투과율을 확인하여 렌즈 은하에서 뚜렷한 먼지 투과도가 있음을 확인.
• 고적색도 은하에서 금속성도와 먼지-가스 비율 간에 선형 상관관계를 발견하여, 우주 시간 전역에서 금속-먼지 비율이 일정하다는 데 일관성 있음.
• 렌즈 은하(z < 1)의 평균 먼지-가스 비율은 1.17⁺⁰.⁴¹₋₀.³¹ × 10⁻²² mag cm² atom⁻¹이며, 내재 산란 0.3 dex를 포함하고 있으며, 은하수 값인 1.7 × 10⁻²² mag cm² atom⁻¹보다 낮음.
• 고에너지 빛의 잔여광 및 DLA 데이터와 융합한 결과, 고적색도 은하(z ≳ 2)의 평균 먼지-가스 비율은 0.54⁺⁰.¹⁹₋₀.¹⁴ × 10⁻²² mag cm² atom⁻¹이며, 은하수 값보다 유의미하게 낮으며, 6.8σ 유의수준에서 유의함.
• 고적색도에서 낮은 먼지-가스 비율은 적색도 증가에 따라 평균 금속성도가 감소함을 시사하며, 이는 우주론적 금속성도 진화 모델을 지지함.
• 결과는 고적색도 은하에서 매우 빠른 먼지 형성(예: z > 2)을 시사하며, 최근 고에너지 빛의 잔여광 연구 결과와 일치함.