[논문 리뷰] Star formation and the interstellar medium in low surface brightness galaxies. III. Why they are blue, thin and poor in molecular gas

Jeroen Gerritsen, W. J. G. de Blok|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|1998. 10. 07.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 N-body 시뮬레이션을 통해 저표면광도(_LSB_)은 은하가 낮은 금속성으로 인해 가스 냉각이 억제되고, 이로 인해 냉각된 가스 비율이 낮아지며, 결과적으로 분자 가스 비율이 낮아지기 때문에 주로 파란 빛을 띠고 얇고, 분자 가스가 적은 것으로 나타났다. 이 모델은 분자 가스 비율이 5% 이하임을 예측하며, 별 형성률이 강하게 변동함으로써 LSB 은하의 색상 산란을 설명한다. 이는 다수의 가스가 풍부한 파란 LSB 은하가 소수의 빨간색, 침체된, 가스가 풍부한 인구(≤20%)와 공존하고 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We present N-body simulations of Low Surface Brightness (LSB) galaxies and their Interstellar Medium to investigate the cause for their low star formation rates (SFR).Due to their massive halos, stellar disks of LSB galaxies are very stable and thin. Lack of dust makes the projected edge-on surface brightness of LSB galaxies comparable to the projected edge-on surface brightness of dust-rich High Surface Brightness (HSB) galaxies of similar size. We show that the low surface densities found in LSB galaxies are by themselves not enough to explain the slow evolution of LSB galaxies. A low metal content of the gas is essential. As a consequence the gas cools inefficiently, resulting in an almost negligible cold gas fraction. We show that LSB galaxies must have molecular gas fractions of less than 5 percent. Our best model has a SFR which is on average low but fluctuates strongly. This causes the large spread in colors of LSB galaxies. From a distribution of birthrate parameters we conclude that the presently-known and modeled gas-rich blue LSB galaxies constitute the majority of the total population of gas-rich LSB disk galaxies. We deduce the existence of an additional red, quiescent and gas-rich population which constitutes less than 20 percent of the total population. This does not rule out the existence of a large number of gas-poor LSB galaxies. These must however have had an evolutionary history dramatically different from that of the gas-rich galaxies.

연구 동기 및 목표

• 저표면광도(_LSB_) 은하가 높은 가스 비율을 가지고 있음에도 불구하고 낮은 별 형성률(SFR)을 보이는 이유를 조사한다.
• LSB 은하에서 관측된 파란 빛, 얇은 디스크, 낮은 분자 가스 함량의 물리적 기원을 설명한다.
• 금속성과 가스 냉각 효율성이 LSB 시스템의 간성간 매질과 별 형성에 미치는 역할을 규명한다.
• 가스가 풍부한 LSB 은하의 인구 분포를 평가하며, 침체된, 빨간색, 가스가 풍부한 하위집단의 존재 여부를 확인한다.
• LSB 은하의 진화 역사를 모델링하여, 형성 경로에 따라 가스가 풍부한 집단과 가스가 풍부하지 않은 집단을 구분한다.

제안 방법

• 간성간 매질(ISM)의 유체역학 모델을 결합한 LSB 은하의 N-body 시뮬레이션을 수행한다.
• 금속성에 따라 달라지는 복사 냉각 과정을 포함하여 가스 온도와 상 구조를 모델링한다.
• 다상태 ISM 모델을 사용하여 원자 상태, 분자 상태, 냉각된 가스 상태 간의 전이를 추적한다.
• 가스 역학과 불안정성으로 인한 변동을 고려하여 시간에 따른 별 형성률(SFR)의 진화를 시뮬레이션한다.
• 모의된 색상 분포와 탄생률 파ameter를 관측된 LSB 은하 집단과 비교한다.
• 금속성에 따라 달라지는 냉각 효율성을 사용하여, 특히 저금속성 환경에서 분자 형태로 존재하는 가스 비율을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저표면광도 은하가 높은 가스 함량을 가지고 있음에도 불구하고 낮은 별 형성률을 보이는 이유는 무엇인가?
• RQ2 낮은 금속성이 LSB 은하의 가스 냉각과 그로 인한 분자 가스 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 관측된 파란 빛과 얇은 디스크 형태는 무엇으로 인해 발생하는가?
• RQ4 전체 LSB 은하 집단 중 침체된, 빨간색, 가스가 풍부한 시스템의 비율은 얼마인가?
• RQ5 별 형성의 변동은 관측된 LSB 은하 간의 색상 산란을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• LSB 은하의 낮은 금속성이 가스 냉각을 억제하여 냉각된 가스 비율이 극히 낮아지고, 분자 가스 비율이 5% 이하로 떨어지게 된다.
• LSB 은하의 얇고 안정된 디스크는 낮은 표면 밀도 때문이 아니라 거대한 다크 물질 허브의 영향으로 유지된다.
• 최적의 맞춤 모델에서 별 형성률은 시간에 따라 강하게 변동하며, 이는 LSB 은하에서 관측된 색상 산란을 설명한다.
• 가스가 풍부한 LSB 디스크 은하의 대부분은 파랗고 활발히 별을 형성하고 있으며, 이는 관측된 탄생률 파ameter와 일치한다.
• 소수의 인구(≤20%)가 빨간색, 침체된, 그러나 가스가 풍부한 LSB 은하가 존재할 가능성이 있으며, 이는 별도의 진화 경로를 가리킨다.
• 가스가 풍부하지 않은 LSB 은하의 경우, 가스가 풍부한 동료들과는 크게 다른 진화 역사를 겪었을 것이다.