[论文解读] Star formation laws in Luminous Infrared Galaxies. New observational constraints on models

S. García‐Burillo, A. Usero+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 68被引用 79

一句话总结

本研究利用IRAM 30米望远镜对HCN、CO和HCO⁺谱线进行高分辨率观测，调查明亮红外星系（LIRGs）中的恒星形成律，以探测致密分子气体。研究发现，与正常星系相比，LIRGs中致密气体的恒星形成效率高出3–4倍，支持一种即使在考虑HCN-气体转换因子和动力学 timescales 差异后依然存在的双峰恒星形成律。

ABSTRACT

The observational study of star formation relations in galaxies is central to unraveling the physical processes at work on local and global scales. We wish to expand the sample of extreme starbursts, represented by local LIRGs and ULIRGs, with high quality observations in the 1-0 line of HCN. We study if a universal law can account for the star formation relations observed for the dense molecular gas in normal star forming galaxies and extreme starbursts. We have used the IRAM 30m telescope to observe a sample of 19 LIRGs in the 1-0 lines of CO, HCN and HCO+. The analysis of the new data proves that the efficiency of star formation in the dense molecular gas (SFE-dense) of extreme starbursts is a factor 3-4 higher compared to normal galaxies. We find a duality in Kennicutt-Schmidt (KS) laws that is reinforced if we account for the different conversion factor for HCN (alpha-HCN) in extreme starbursts and for the unobscured star formation rate in normal galaxies. This result extends to the higher molecular densities probed by HCN lines the more extreme bimodal behavior of star formation laws, derived from CO molecular lines by two recent surveys. We have confronted our observations with the predictions of theoretical models in which the efficiency of star formation is determined by the ratio of a constant star formation rate per free-fall time (SFR-ff) to the local free-fall time. We find that it is possible to fit the observed differences in the SFE-dense between normal galaxies and LIRGs/ULIRGs using a common constant SFR-ff and a set of physically acceptable HCN densities, but only if SFR-ff~0.005-0.01 and/or if alpha-HCN is a factor of a few lower than our favored values. Star formation recipes that explicitly depend on the galaxy global dynamical time scales do not significantly improve the fit to the new HCN data presented in this work.

研究动机与目标

• 利用高质量的HCN谱线数据，扩展对极端星暴星系（特别是明亮和超亮红外星系，LIRGs/ULIRGs）中恒星形成律的观测约束。
• 检验是否存在适用于正常星形成星系和极端星暴星系的普适恒星形成律，特别是在致密分子气体中的适用性。
• 评估将恒星形成效率与自由落体时间及整体动力学 timescales 相关联的理论模型的有效性。
• 评估HCN-气体转换因子（α^HCN）的变化在解释不同星系族群之间恒星形成效率差异中的作用。

提出的方法

• 使用IRAM 30米望远镜对19个LIRGs进行观测，测量CO、HCN和HCO⁺的1–0跃迁线，以探测致密分子气体和恒星形成示踪。
• 利用多种示踪剂计算恒星形成率（SFR），并通过高分辨率光学、近红外和中红外成像测量恒星形成区域的尺寸。
• 将致密气体中的恒星形成效率（SFE_dense）定义为SFR与致密分子气体面密度的比值，使用HCN亮度作为代理。
• 对SFR–致密气体面密度关系拟合Kennicutt-Schmidt（KS）幂律，测试基于局部（自由落体时间）和整体（动力学时间）的两种公式。
• 将观测结果与假设恒星形成率每单位自由落体时间恒定（SFR_ff）的理论模型进行比较，通过调整α^HCN和气体标高，评估模型的一致性。
• 评估动力学 timescale（t_dyn）定义方式对观测到的恒星形成律双峰性的影响力，尤其在平静盘星系与扰动并合星系之间。

实验结果

研究问题

• RQ1 致密分子气体中的恒星形成效率是否在正常星系和LIRGs中普遍适用？
• RQ2 HCN-气体转换因子（α^HCN）的差异在多大程度上能解释观测到的恒星形成律双峰性？
• RQ3 一个恒定的SFR_ff模型是否足以解释正常星系与LIRGs之间观测到的SFE_dense差异？
• RQ4 整体动力学 timescale（t_dyn）如何影响观测到的恒星形成关系？其使用在不同星系类型中是否一致？
• RQ5 当考虑气体标高（h_gas）和HCN谱线激发的变化时，观测到的恒星形成律双峰行为是否依然存在？

主要发现

• LIRGs中致密分子气体的恒星形成效率（SFE_dense）比正常星系高出3–4倍，表明恒星形成过程存在根本性差异。
• 只要极端星暴中的α^HCN比正常星系低约2–3倍，观测到的SFE_dense差异就与单一恒定的SFR_ff ≈ 0.005–0.01一致。
• SFR–Σ_dense_gas关系的Kennicutt-Schmidt幂律指数为n = 0.8 ± 0.1，接近理论预期值1.0，表明局部体积恒星形成律具有合理性。
• 动力学 timescale 指数m = –0.5 ± 0.2与预期的–1不一致，表明整体t_dyn可能不是该语境下SFR的稳健预测因子。
• 假设恒定SFR_ff并允许气体标高（h_gas）变化的理论模型可调和观测到的双峰性，但对h_gas差异的观测约束仍有限。
• 明确依赖整体动力学 timescale 的恒星形成配方并未显著改善对HCN数据的拟合，表明局部过程可能主导恒星形成调控。