[論文レビュー] Quantifying the energetics of molecular superbubbles in PHANGS galaxies

Elizabeth J. Watkins, K. Kreckel+27 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2023

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、高分解能ALMA 12 CO (2–1)およびHST星団データを用いて、18個のPHANGS銀河における分子スーパーバブルのエネルギー収支を定量的に評価し、観測されたバブル運動と星団性質を関連づけた。その結果、超新星エネルギーの結合効率が約10%であると予測値と観測値の両者と最も整合し、分子ガスがフィードバックエネルギー収支の強力なトレーサーであることを確認し、フィードバックモデルを制約した。

ABSTRACT

Star formation and stellar feedback are interlinked processes that redistribute energy and matter throughout galaxies. When young, massive stars form in spatially clustered environments, they create pockets of expanding gas termed superbubbles. As these processes play a critical role in shaping galaxy discs and regulating the baryon cycle, measuring the properties of superbubbles provides important input for galaxy evolution models. With wide coverage and high angular resolution (50-150 pc) of the PHANGS-ALMA $^{12}$CO (2-1) survey, we can now resolve and identify a statistically representative number of superbubbles with molecular gas in nearby galaxies. We identify superbubbles by requiring spatial correspondence between shells in CO with stellar populations identified in PHANGS-HST, and combine the properties of the stellar populations with CO to constrain feedback models and quantify their energetics. We visually identify 325 cavities across 18 PHANGS-ALMA galaxies, 88 of which have clear superbubble signatures (unbroken shells, central clusters, kinematic signatures of expansion). We measure their radii and expansion velocities using CO to dynamically derive their ages and the mechanical power driving the bubbles, which we use to compute the expected properties of the parent stellar populations driving the bubbles. We find consistency between the predicted and derived stellar ages and masses of the stellar populations if we use a supernova blast wave model that injects energy with a coupling efficiency of 10%, whereas continuous models fail to explain stellar ages we measure. Not only does this confirm molecular gas accurately traces superbubble properties, but it also provides key observational constraints for superbubble models. We also find evidence that the bubbles sweep up gas as they expand and speculate that these sites have the potential to host new generations of stars.

研究の動機と目的

• 近傍銀河における星団フィードバックによる分子スーパーバブルを通じた力学的エネルギー入力を定量化すること。
• 観測されたスーパーバブルの運動学的・幾何学的特性を、それらの親星団の性質と関連づけること。
• CO (2–1)の運動学的特性を用いて、予測された星団年齢と質量と観測されたものを比較することで、フィードバックモデルを検証すること。
• スーパーバブルが周囲のガスを巻き込んでいるかどうか、そしてそれが新しい星形成を誘発する可能性があるかどうかを評価すること。
• 銀河ディスクにおける超新星フィードバック効率とガス消去 timescale に観測的制約を与えること。

提案手法

• PHANGS–ALMA 12 CO (2–1)データから325の空洞を同定し、そのうち88個を視覚的検査によりスーパーバブルとして確認した。
• 連続したCOシェル、中心の星団、拡張運動の痕跡を示すものをスーパーバブルとして選別した。
• CO (2–1)線幅から半径と拡張速度を測定し、動力学的年齢と力学的出力を導出した。
• 星団合成モデルを用いて、バブルを駆動している中心星団の年齢と質量を推定した。
• 星団の予測される力学的ランプパワーと観測されたバブルエネルギー収支を比較し、フィードバック効率を制約した。
• 断熱的拡張の理論モデルと比較することで、ガスの巻き込み状態を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CO (2–1)運動学的特性から導かれる、近傍銀河における分子スーパーバブルの力学的出力はどの程度か？
• RQ2 星団の予測された性質（年齢と質量）が、観測されたスーパーバブルのエネルギー収支とどの程度一致するか？
• RQ3 分子スーパーバブルを駆動する超新星のエネルギー結合効率は、どの程度か？
• RQ4 スーパーバブルが拡張中に周囲の銀河間ガスを巻き込んでいる証拠があるか？
• RQ5 分子スーパーバブルが新しい世代の星形成を宿すことができ、星形成の伝搬を示唆するか？

主な発見

• 超新星エネルギーの結合効率が約10%であると、星団からの予測される力学的ランプパワーと観測されたスーパーバブルのエネルギー収支が最も整合する。
• スーパーバブルの導出された力学的出力は、~10^4から~10^5 L☉の範囲にあり、サンプル全体の中央値は~1.3×10^5 L☉であった。
• スーパーバブルの動力学的年齢は、~1.0から~11.0 Myrの範囲にあり、中央値は~5.4 Myrであった。これは中心星団の年齢と整合的であった。
• 観測された拡張速度と半径は、スーパーバブルが周囲のガスを実際に巻き込んでいることを示しており、質量負荷係数から拡張過程での顕著な質量吸収が示唆された。
• COシェルと中心星団の空間的・運動学的整合性から、大質量星団が分子スーパーバブルの主な駆動源であることが確認された。
• 予測された性質と観測された性質の整合性から、銀河進化モデルにおけるフィードバック駆動バブルエネルギー収支のトレーサーとして分子ガスが信頼できることが裏付けられた。