[논문 리뷰] High-Resolution Panchromatic Spectral Models of Galaxies including Photoionisation and Dust

Patrik Jönsson, Brent Groves외 1명|arXiv (Cornell University)|2009. 06. 11.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 2인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 사진이온화 및 먼지 방출 모델을 통합하여 시뮬레이션된 은하의 고해상도 2차원 전파대 스펙트럼 에너지 분포(SpE)를 생성하는 sunrise 방사선 전달 코드의 향상된 버전을 제시한다. 다색 몬테카를로 알고리즘과 mappingsIII 사진이온화 코드를 결합함으로써, 이 모델은 자외선에서 마이크로파에 이르는 SED와 발광선을 정확히 재현하며, 관측된 SINGS 및 SLUGS 은하와 강한 일치를 보인다. 유일한 예외는 SINGS에서 160 μm/850 μm 비율이 약 5배 과소 예측되는 것으로, 이는 SLUGS의 더 높은 냉각 먼지 함량과 일치한다.

ABSTRACT

An updated version of the dust radiation transfer code Sunrise, including models for star-forming regions and a self-consistent calculation of the spatially dependent dust and PAH emission, is presented. Given a hydrodynamic simulation of a galaxy, this model can calculate a realistic 2-dimensional ultraviolet--submillimeter spectral energy distribution of the galaxy, including emission lines from HII regions, from any viewpoint. To model the emission from star-forming regions, the MAPPINGSIII photoionization code is used. The high wavelength resolution (~ 1000 wavelengths) is made possible by the polychromatic Monte-Carlo algorithm employed by Sunrise. From the 2-D spectral energy distributions, images in any filter bands or integrated galaxy SEDs can be created. Using a suite of hydrodynamic simulations of disc galaxies, the output broad-band images and spectral energy distributions are compared with observed galaxies from the multiwavelength SINGS and SLUGS galaxy surveys. Overall, the output spectral energy distributions show a good match with observed galaxies in colours ranging from GALEX far-UV to SCUBA submillimeter wavelengths. The only possible exception is the 160 micron/850 micron colour, which the simulations underestimate by a factor "of order 5" compared to the SINGS sample. However, the simulations here agree with the SLUGS galaxies, which consistently have significantly larger amounts of cold dust than the SINGS galaxies. The Sunrise model can be used to generate simulated observations of arbitrary hydrodynamic galaxy simulations. In this way, predictions of galaxy formation theories can be directly tested against observations of galaxies.

연구 동기 및 목표

• 시뮬레이션된 은하의 전체 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 물리적으로 일관되게 계산하기 위한 방법 개발
• 기존 모델에서 공간 해상도를 忽시하거나 항성 형성 영역의 발광선을 생략하는 한계를 극복하기 위해
• 수치 유체역학 은하 시뮬레이션과 다파장 관측 결과를 직접 비교할 수 있도록, 시뮬레이션 출력에서 현실적인 SED와 이미지를 예측하기 위해
• 질량 기반 시뮬레이션과 빛 기반 관측 결과 사이의 격차를 메우기 위해, 공간 해상도가 있는 기하학적 구조를 고려한 복사전달 통합
• 미래에 고적색 이동 시 융합체 및 활성은하핵(AGN) 영향을 받는 은하의 모델링을 위한 기초 마련

제안 방법

• polychromatic 몬테카를로 알고리즘을 사용하여 self-consistent하고 공간 해상도가 있는 먼지 및 PAH 방출을 sunrise 코드에 통합
• H II 영역 내 사진이온화는 별에서 방출되는 이온화 복사에 기반해 이온화 구조와 선 방출을 계산하는 mappingsIII 코드로 모델링
• 모델은 약 1000개의 파장에 고해상도를 사용하며, 발광선을 해상도를 높여 자외선-가시광선 대역을, 적외선 대역에는 더 낮은 해상도를 사용
• 수치 유체역학 시뮬레이션에서 유도된 3차원 별과 먼지 기하학적 구조를 사용하여 은하 규모의 복사전달을 수행하며, 임의의 시야각에서 2차원 SED 생성 가능
• 필터 반응을 사용하여 전체 2차원 스펙트럼 출력에서 밴드별 이미지와 통합 SED를 합성
• 시간에 따라 변화하는 방출과 클러스터된 은하간매질(ISM) 및 차별적 흡수를 고려하기 위해 시뮬레이션 내 시간에 따라 변화하는 항성 형성 역사를 연결

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사진이온화와 먼지 방출을 모두 포함할 때, 복사전달 모델이 시뮬레이션된 은하의 전체 전파대 SED를 얼마나 정확하게 재현할 수 있는가?
• RQ2 실제 은하와 비교할 때, 이 모델이 자외선에서 마이크로파 대역에 걸쳐 관측된 SED와 색상을 어느 정도 정확히 재현하는가?
• RQ3 왜 이 모델은 관측치에 비해 SINGS 은하의 160 μm/850 μm 복사율 비율을 약 5배 과소 예측하는가?
• RQ4 공간 해상도가 있는 항성 형성과 먼지 분포를 고려한 수치 유체역학 시뮬레이션에서 SED와 이미지를 성공적으로 예측할 수 있는가?
• RQ5 향후 연구에서 복사전달에 운동학적 효과와 AGN 기여를 포함하기 위해 모델을 어떻게 확장할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 항성 형성 영역의 발광선과 공간 해상도가 있는 먼지 및 PAH 방출을 포함한, 유체역학 시뮬레이션에서 유래한 고해상도 2차원 스펙트럼 에너지 분포를 생성한다.
• 예측된 SED는 SINGS 및 SLUGS 조사에서 관측된 은하들과 자외선에서 마이크로파 범위에 걸쳐 양호한 일치를 보인다.
• 모델은 SINGS 샘플에 비해 160 μm/850 μm 복사율 비율을 약 5배 과소 예측하며, 이는 시뮬레이션에서 냉각 먼지 방출이 부족함을 시사한다.
• SLUGS 샘플과의 일치는 더 높은 냉각 먼지 함량을 보이는 관측된 극단적인 먼지 풍부 은하와 일관성을 보이며, 이를 뒷받침한다.
• 모델의 스펙트럼 해상도(~1000개 파장)는 발광선의 정밀한 샘플링이 가능하며, 다색 알고리즘을 활용하면 최대 13,000개의 파장 분할까지 가능하다.
• 향후 연구에서는 복사전달에 운동학적 효과를 통합하고, 금속성에 따라 변화하는 입자 성질을 더 물리적으로 반영한 먼지 처리 방법을 포함할 계획이다.