[論文レビュー] The distribution of the ISM in the Milky Way A three-dimensional large-scale model

A. Misiriotis, E. M. Xilouris+3 more|ArXiv.org|Jul 28, 2006

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 33被引用数 68

ひとこと要約

本研究では、COBE/DIRBEおよびFIRASデータを用いて、銀河の宇宙ほこり、星、ガスの空間的分布を制約する、シンプルで三次元的かつ軸対称的な放射移動モデルを提示する。このモデルは、遠赤外および近赤外マップをうまく再現し、外部の渦巻銀河と一致する銀河のシュナイダー則を得ており、観測されたセフェイド星の減光と非常に良好に一致しており、幾何学的に単純化されたにもかかわらず、大規模なほこり分布の妥当性を裏付けている。

ABSTRACT

We use the COBE/DIRBE (1.2, 2.2, 60, 100, 140, and 240 $μ$m) maps and the COBE/FIRAS spectra (for the wavelength range 100 - 1000 $μ$m) to constrain a model for the spatial distribution of the dust, the stars, and the gas in the Milky Way. By assuming exponential axisymmetric distributions for the dust and the stars and by performing the corresponding radiative transfer calculations we closely (given the simple geometry of the model) reproduce the FIR and NIR maps of the Milky Way. Similar distributions for the atomic and molecular hydrogen in the disk are used (with an inner cut-off radius for the atomic hydrogen) to fit the gas data. The star formation rate as a function of the Galactic radius is derived from the FIR emission and is well in agreement with existing estimates from various star formation tracers. The gas surface density is plotted against the star formation rate density and an ``intrinsic'' Galactic Schmidt law is derived with excellent agreement with the ``external'' Schmidt law found for spiral galaxies. The Milky Way is found to consume $\sim 1%$ and $\sim 10%$ of its gas in the outer and inner regions respectively (for a period of 0.1 Gyr) to make stars. The dust-induced B-V color excess observed in various directions and distances (up to $\sim 6.5$ kpc) with well-studied Cepheid stars is compared with the model predictions showing a good agreement. The simple assumption of exponential distributions of stars and dust in the Galaxy is found to be quite instructive and adequate in modeling all the available data sets from 0.45 $μ$m (B-band) to 1000 $μ$m.

研究の動機と目的

• 光学的からサブミリ波長にまで及ぶ多波長観測を一貫して適合する、最小パラメータの三次元的銀河系ISMモデルの開発。
• COBE/DIRBEおよびFIRASデータを用いて、ほこり、星、およびガス（原子および分子水素）の空間的分布を制約すること。
• 銀河中心からの半径関数としての星形成率（SFR）を導出し、独立したトレーサーと比較してモデルを検証すること。
• モデルが観測されたセフェイド星のB-V色超過をどれほど正確に再現できるかをテストし、ほこり減光予測の正確性を評価すること。
• 銀河が外部の渦巻銀河で観測されたものと同じガス-SFR関係（シュナイダー則）に従うかどうかを調査し、普遍的なスケーリングを確立すること。

提案手法

• 銀河ディスクにおけるほこりと星の指数的かつ軸対称的な分布を仮定し、スケール長とスケール高さを自由パラメータとしてデータで制約する。
• 全波長範囲（0.45–1000 µm）における星光の減光とほこりの放射を計算する放射移動計算を実施し、散乱および吸収効果を含む。
• COBE/DIRBEマップ（1.2, 2.2, 60, 100, 140, 240 µm）を用いて、観測されたFIRおよびNIRの表面輝度分布にモデルを適合させる。
• COBE/FIRASスペクトル（100–1000 µm）を組み込み、銀河の全スペクトルエネルギー分布（SED）を制約し、モデル予測の妥当性を検証する。
• 21 cm（HI）およびCO（H2）の放射マップを用いてガス分布をモデル化し、観測された半径プロファイルに一致させるために原子水素に内側カットオフ半径を適用する。
• ほこりの再放射が最近の星形成を示すと仮定し、FIR放射から星形成率（SFR）密度を導出し、外部トレーサーと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シンプルで軸対称的な3次元的放射移動モデルを用い、最小限のパラメータで銀河の観測されたFIRおよびNIR放射マップを再現できるか？
• RQ2 ほこりと星のスケール長およびスケール高さはそれぞれどのように定まり、既存の観測と比較してどうなるか？
• RQ3 銀河中心からの半径関数として導かれた星形成率（SFR）密度は、銀河内での星形成の独立したトレーサーと一致するか？
• RQ4 観測されたSFR表面密度とガス表面密度の関係は、外部の渦巻銀河で観測された普遍的なシュナイダー則と一貫しているか？
• RQ5 モデルが観測されたセフェイド星のB-V色超過をどの程度正確に予測できるか。これは、ISMのクラスタリング性について何を示唆するか？

主な発見

• モデルはCOBE/DIRBEのFIRおよびNIRマップを非常に高い一貫性で再現しており、ほこりと星の指数的分布の使用が妥当であることを裏付けている。
• ほこりのスケール長は星の約2倍であることが判明した（1.2 µmにおける星のスケール長は2.5 kpc、ほこりは約5 kpc）、星対ほこりのスケール高さ比は約1.7である。
• FIR放射から導かれた星形成率（SFR）密度は、独立したSFRトレーサーと非常に良好に一致しており、モデルの信頼性を確認している。
• SFR表面密度とガス表面密度の関係から得られたシュナイダー則は、外部の渦巻銀河で得られた「外部」シュナイダー則とほぼ同一であり、普遍的なガス-SFR関係があることを示している。
• 銀河の内側領域では約10%、外側領域では約1%のガスが0.1 Gyrごとに消費されており、星形成効率が半径方向に著しく低下していることが示された。
• セフェイド星のモデル予測B-V色超過は、観測値と極めて良好に相関しており、点は対角線の周囲に均等に散らばっており、モデルが滑らかなISMを仮定しているにもかかわらず、ほこり減光予測の正確性が確認された。