[논문 리뷰] Dust masses and star formation in bright IRAS galaxies Application of a physical model for the interpretation of FIR observations

A. Misiriotis, I. E. Papadakis외 2명|ArXiv.org|2003. 12. 10.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 59인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 62개의 밝은 IRAS 은하에 3차원 복사열전달 모델을 적용하여 K-band 광도 및 SFR에 의존하는 우주선 복사 에너지를 사용해 관측된 FIR SED를 맞추어 먼지 질량과 항성 형성률(SFR)을 유도한다. 이들 은하는 정상적인 나선은하보다 더 높은 SFR, 먼지 질량 및 FIR 대 내재된 빛의 비율을 가지며, FIR 빛의 세기와 SFR/먼지 질량 간의 강한 상관관계로 인해 약 2배 이내의 신뢰성 있는 SFR 추정이 가능하다.

ABSTRACT

We address the problem of modeling the far-infrared (FIR) spectrum and deriving the star-formation rate (SFR) and the dust mass of spiral galaxies. We use the realistic physical model of Popescu et al. (2000) to describe the overall ultra-violet (UV), optical and FIR spectral energy distribution (SED) of a spiral galaxy. The model has only three free parameters: SFR, dust mass, and the fraction of the UV radiation which is absorbed locally by dense dust in the HII regions. Using this model, we are able to fit well the FIR spectra of 62 bright, IRAS galaxies from the "SCUBA Local Universe Galaxy Survey" of Dunne et al.(2000). As a result, we are able to determine, among others, their SFR and dust mass. We find that, on average, the SFR (in absolute units), the star-formation efficiency, the SFR surface density, and the ratio of FIR luminosity over the total intrinsic luminosity, are larger than the respective values of typical spiral galaxies of the same morphological type. We also find that the mean gas-to-dust mass ratio is close to the Galactic value, while the average central face-on optical depth of these galaxies in the V band is 2.3. Finally, we find a strong correlation between SFR or dust mass and observed FIR quantities like total FIR luminosity or FIR luminosity at 100 and 850 $\mathrm{μm}$. These correlations yield well defined relations, which can be used to determine a spiral galaxy's SFR and dust-mass content from FIR observations.

연구 동기 및 목표

• FIR 관측을 통해 나선은하에서 항성 형성률(SFR)과 먼지 질량을 물리적으로 일관된 방법으로 유도하는 데 목적이 있다.
• 정상적인 나선은하에서 먼지 흡수로 인해 편향되는 표준 SFR 진단 방법의 한계를 해결하는 데 목적이 있다.
• 먼지 구조, 광학 두께 및 항성 분포가 FIR 스펙트럼 에너지 분포(SED)에 미치는 영향을 조사하는 데 목적이 있다.
• 중간 정도의 광학 두께를 가진 은하에서 FIR 빛의 세기와 SFR/먼지 질량 간의 상관관계가 신뢰성 있게 존재하는지 확인하는 데 목적이 있다.
• 후기형 나선은하에서 FIR 복사 세기로부터 SFR과 먼지 질량을 추정하기 위한 경험적 진단 관계를 수립하는 데 목적이 있다.

제안 방법

• 3차원 복사열전달 모델을 사용하여 노란색 및 분홍색 항성, 먼지의 공간 분포를 고려해 전체 UV에서 FIR SED를 시뮬레이션한다.
• 관측된 K-band magnitude로부터 내재된 K-band SED를 유도하며, 인구 합성 모델을 사용해 SFR에 비례하여 UV SED를 스케일링한다.
• 모델은 복사열전달 방정식을 해결하여 먼지의 가열, FIR 영역에서의 재방출 및 최종로 나오는 SED를 계산한다.
• 각 은하당 3개의 자유 매개변수를 조정한다: SFR, 먼지 질량, 그리고 HII 영역에서 국소적으로 흡수되는 UV 복사의 비율 F.
• SCUBA 국지 우주 은하 조사에서의 관측된 FIR SED를 모델 SED에 맞추어 물리적 매개변수를 유도한다.
• 모델은 850 μm에서 0.505 cm²/g의 먼지 단면적을 가정하며, 다른 값에 대한 민감도 분석을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중간 정도의 광학 두께와 젊은 항성 및 노란 항성의 기여를 고려할 때, 밝은 IRAS 은하의 FIR SED는 그 내재된 SFR과 먼지 질량과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ2 HII 영역에서 국소적으로 흡수되는 UV 복사의 비율 F는 이러한 은하가 정상적인 나선은하보다 더 높은 FIR 대 내재된 빛의 비율을 가지는 데 얼마나 기여하는가?
• RQ3 물리적으로 타당한 모델이 평균보다 밝은 K-band magnitude를 가진 후기형 나선은하의 FIR SED를 재현할 수 있는가?
• RQ4 이들 은하에서 먼지 질량, 기체 표면 밀도 및 광학 두께 간의 관계는 어떻게 되며, 은하수의 값과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ5 FIR 복사 세기만으로 모델에서 유도된 SFR과 먼지 질량은 신뢰성 있게 추정할 수 있으며, 그 오차 범위는 무엇인가?

주요 결과

• 표본 은하의 평균 항성 형성률(SFR)과 먼지 질량은 같은 형태 유형의 일반적인 나선은하보다 높다.
• 평균 기체 대 먼지 질량 비율은 은하수의 값과 거의 동일하여 먼지 화학에 명백한 이질성이 없음을 시사한다.
• 평균 중심면 대면 V-대역 광학 두께는 2.3로, 얼핏면에서 보더라도 내부 영역에서 높은 투과도를 가지며 높은 투명도를 나타낸다.
• FIR 빛의 세기(L_FIR)와 SFR 간에 강한 상관관계가 존재하여 L_FIR 또는 L_100로부터 약 2배 이내의 SFR 추정이 가능하다.
• 은하의 빛의 세기가 증가함에 따라 단위 빛의 세기당 SFR은 감소하며, 이는 정상 은하의 경향과 일치한다.
• 모델에서 유도된 먼지 질량은 850 μm 빛의 세기와 밀접한 상관관계를 가지며, 주로 850 μm에서의 가정된 먼지 단면적에 따라 오차가 결정된다.