[論文レビュー] HST/STIS spectroscopy of the environment in the starburst core of M82

M. S. Westmoquette, L. J. Smith+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2007

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 1被引用数 26

ひとこと要約

本研究では、HST/STIS分光法を用いてM82の星形成暴走核の運動学、減光、イオン化状態を分析し、高い星間密度（500–900 cm⁻³）と、圧力の変動にもかかわらず一様なイオン化パラメータを明らかにした。広いHα成分（150–250 km s⁻¹）が普遍的であることが判明し、これは集団風によるガス雲の剥がれによって生じ、高エネルギー光子と噴出流によって駆動される乱流的表面層を示している。

ABSTRACT

[Abridged] We present high-resolution optical HST/STIS observations made with two slits crossing four of the brightest starburst clumps in the vicinity of the nucleus of M82. These provide H_alpha kinematics, extinction, electron density and emission measures. From the radial velocity curves we confirm the presence of a stellar bar, and find that the super star cluster M82-A1 has a position and radial velocity consistent with it being at the end of one of the unique x2 bar orbits formed by an inner Lindblad resonance. We derive a new model for the orientation of the bar and disc with respect to the main starburst clumps, and propose that clump A has formed within the bar region as a result of gas interactions between the bar orbits, whereas region C lies at the edge of the bar and regions D and E are located further out from the nucleus but heavily obscured. We derive extremely high interstellar densities, corresponding to ISM pressures of P/k ~ 0.5-1.0 x 10^7 cm^-3 K, and discuss the implications of the measured gas properties surrounding the nuclear star clusters on the production and evolution of the galactic wind. Despite varying pressures, the ionization parameter is uniform down to parsec-scales, and we discuss why this might be so. Where the S/N of our spectra are high enough, we identify multiple emission-line components. Through detailed Gaussian line-fitting, we identify a ubiquitous broad (200-300 km/s) underlying component to the bright H_alpha line, and discuss the physical mechanism(s) that could be responsible for such widths. We conclude that the evaporation and/or ablation of material from interstellar gas clouds caused by the impact of the high-energy photons and fast-flowing cluster winds produces a highly turbulent layer on the surface of the clouds from which the emission arises.

研究の動機と目的

• M82の核における星形成暴走環境の物理的状態—運動学、減光、電子密度、発光度—を調査すること。
• 星形成クラスターの分布と運動に与える星のバーおよびバー軌道の役割を特定すること。
• 広帯域Hα線成分の起源を理解し、星間媒体フィードバック機構に与える意味を解明すること。
• パーセクスケール領域におけるイオン化パラメータの一様性を評価し、星形成暴走の進化に与える意味を明らかにすること。
• バーとディスクの向きをクラスターと照らし合わせ、形成歴史を推定すること。

提案手法

• ハッブル宇宙望遠鏡搭載の宇宙望遠鏡撮像分光計（STIS）を用いて、4つの明るい星形成クラスターを通過する2つのスリットによる高分解能光学分光法を取得した。
• Hα線のドップラー速度曲線を測定し、運動学的構造を推定するとともに、星のバーの存在を確認した。
• 発光線を狭帯域（c1）、広帯域（c2）、および追加の赤方偏移成分（c3）に分解するため、詳細なガウス線形フィッティングを実施した。
• 診断線比（例：[S II] λ6717/λ6731）を用いて電子密度および発光度を計算した。
• イオン化バランスを仮定し、導出された電子密度およびイオン化パラメータを用いて星間圧力を推定した。
• 広帯域線幅の起源を、スーパースタークラスターからのイオン化放射および高速風によるガス雲表面の蒸発および剥がれによってモデル化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星形成暴走核の運動学的構造は何か？ また、星のバーの存在とどのように関係しているか？
• RQ2 高SN比スペクトルで普遍的に観測される広帯域Hα成分（150–250 km s⁻¹）の原因は何か？
• RQ3 圧力の変動にもかかわらず、パーセクスケール領域でほぼ一様なイオン化パラメータ（log U ≈ -2.24）が維持されるのはなぜか？
• RQ4 クラスターA、C、D、Eの空間的位置は、バー力学およびx₂軌道などの軌道構造とどのように関係しているか？
• RQ5 剥がれおよび蒸発が、星間媒体における観測された乱流的速度場をどのように形成しているか？

主な発見

• 径方向速度曲線は星のバーの存在を確認しており、スーパースタークラスターM82-A1はx₂バー軌道の端に位置し、バー力学と整合的である。
• 星間密度は500–900 cm⁻³に達し、星間媒体圧力P/k ≈ 0.5–1.0 × 10⁷ cm⁻³ Kを示しており、極めて密度が高く圧力の高い環境であることが判明した。
• すべての高SN比スペクトルに普遍的に広帯域Hα成分（150–250 km s⁻¹）が確認され、これは集団風およびイオン化光子によるガス雲表面の乱流的剥がれに起因するとされる。
• 広帯域成分は、解像度の低い運動成分の重ね合わせによるものではなく、表面の蒸発および剥がれによって生じる高乱流的層が、広帯域線を発生させている。
• 領域Aでは、狭帯域（c1）と広帯域（c2）成分間に速度オフセットは観測されず、クラスター核部に特定の噴出方向が見られないが、領域Cでは赤方偏移オフセットが観測され、バー縁部で秩序立てた噴出が進行していることが示唆される。
• 圧力の変動にもかかわらず、イオン化パラメータは一様に維持されている（log U ≈ -2.24）ことから、フィードバックプロセスおよびダストの競合が、イオン化状態の安定化に寄与している可能性がある。