[论文解读] Modelling the spectral energy distribution of galaxies. I. Radiation fields and grain heating in the edge-on spiral NGC891

C. C. Popescu, A. Misiriotis+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2000

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用 15

一句话总结

本文提出了一种辐射转移模型，自洽地计算了边缘朝向的螺旋星系NGC891中尘埃颗粒的加热过程，采用双盘尘埃模型以重现其远红外及亚毫米波段的光谱能量分布。研究发现，仅包含老年与年轻恒星群体的标准模型无法重现观测到的亚毫米波段流量，但采用具有弥散年轻恒星成分和恒星形成率3.5 M☉/yr的双尘盘模型则能很好地拟合数据，表明尘埃主要由年轻恒星加热。

ABSTRACT

We describe a new tool for the analysis of the UV to the sub-millimeter (sub-mm) spectral energy distribution (SED) of spiral galaxies. We use a consistent treatment of grain heating and emission, solve the radiation transfer problem for a finite disk and bulge, and self-consistently calculate the stochastic heating of grains placed in the resulting radiation field. We use this tool to analyse the well-studied nearby edge-on spiral galaxy NGC891. First we investigate whether the old stellar population in NGC891, along with a reasonable assumption about the young stellar population, can account for the heating of the dust and the observed far-infrared (FIR) and sub-mm emission. The dust distribution is taken from the model of Xilouris et al. (1999), who used only optical and near-IR observations to determine it. We have found that such a simple model cannot reproduce the SED of NGC891, especially in the sub-mm range. It underestimates by a factor of 2-4 the observed sub-mm flux. A number of possible explanations exist for the missing sub-mm flux. We investigate a few of them and demonstrate that one can reproduce the observed SED in the FIR and the sub-mm quite well, as well as the observed radial profile at 850 microns. For the models calculated we give the relative proportion of the dust radiation powered by the old and young stellar populations as a function of FIR/sub-mm wavelength. In all models we find that the dust is predominantly heated by the young stellar population.

研究动机与目标

• 开发一种自洽的方法，用于从紫外到亚毫米波段建模螺旋星系的光谱能量分布（SED）。
• 研究NGC891中老年与年轻恒星群体是否足以解释观测到的尘埃辐射。
• 确定标准模型中缺失的亚毫米波段流量的物理成因，并提出可行的物理解释。
• 量化老年与年轻恒星群体在FIR/亚毫米波段对尘埃加热的相对贡献。

提出的方法

• 使用Kylafis & Bahcall（1987）的方法求解有限厚度盘与球状核的辐射转移方程，分别针对光学/近红外与紫外辐射场。
• 对老年/中等年龄恒星采用平滑的指数盘与de Vaucouleurs球状核，参数来自Xilouris等（1999）的光学与近红外成像结果。
• 将年轻恒星群体建模为具有标高90 pc的平滑指数盘，并引入恒星形成率（SFR）作为自由参数。
• 将被星形成复合体局部吸收的紫外光子比例F与贡献于弥散星际辐射场的部分视为自由参数。
• 应用星族合成模型（Mateu & Bruzual 2000）将SFR与紫外发射关联，并计算由此辐射场引发的随机颗粒加热。
• 将预测的SED与观测数据（包括亚毫米波段流量与850 μm径向分布）进行比较，以检验模型的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 NGC891中老年与年轻恒星群体的联合辐射场能否重现观测到的远红外与亚毫米波段SED？
• RQ2 为何标准模型（单个尘埃盘）无法重现NGC891观测到的亚毫米波段流量？
• RQ3 何种尘埃与恒星群体的物理构型可解释缺失的亚毫米波发射？
• RQ4 老年与年轻恒星在FIR/亚毫米波段对尘埃加热的贡献如何随波长变化？
• RQ5 两尘埃盘模型能否重现观测到的850 μm径向分布？

主要发现

• 标准模型（仅使用老年恒星群体与单个尘埃盘的年轻恒星群体）在亚毫米波段低估了流量2–4倍。
• 采用弥散年轻恒星成分与SFR为3.5 M☉/yr的双尘埃盘模型，能成功拟合观测到的SED与850 μm径向分布。
• 当F = 0.28（表示28%的紫外光子在星形成复合体中局部被吸收）时，模型与观测拟合最佳。
• 在所有模型中，尘埃在FIR/亚毫米波段主要由年轻恒星群体加热。
• 通过提高颗粒发射率无法解决亚毫米波段流量的差异，因为这将导致SED峰值向更长波长移动，从而需要更高的SFR才能匹配60–100 μm波段的流量。
• 双尘埃盘模型与当前观测数据一致，但需角秒级分辨率的亚毫米波望远镜才能将其与团块状尘埃分布模型区分开来。