[论文解读] Diagnostics of active galaxies: I. Modeling the infrared properties of dusty cores of starburst galaxies

A. F. Loenen, Willem A. Baan+1 more|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|Jul 27, 2006

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 39被引用 5

一句话总结

该论文利用辐射转移和星族合成模型模拟星暴星系中尘埃核心的红外辐射，表明仅靠大质量恒星形成即可驱动ULIRGs。关键结果包括：两组尘埃结构（热、紧凑的内区与较冷、扩展的外区）以及仅从红外光度中解读星形成率与初始质量函数时存在退化关系。

ABSTRACT

An evolutionary model of star formation in ULIRGs was created using existing star formation and radiative transfer codes (STARBURST99, RADMC and RADICAL) as building blocks. The results of the simulations are compared to data from two IRAS catalogs. From the simulations it is found that the dust surrounding the starburst region is made up from two components. There is a low optical depth (tau=0.1, which corresponds to 0.1% of the total dust mass), hot (T~400K) non-grey component close to the starburst (scale size 10pc) and a large scale, colder grey component (100pc, 75K) with a much larger column (tau=10). The simulations also show that starburst galaxies can be powered by massive star formation. The parameters for this star forming region are difficult to determine, since the IR continuum luminosity is only sensitive to the total UV input. Therefore, there is a degeneracy between the total starburst mass and the initial mass function (IMF) slope. A less massive star formation with a shallower IMF will produce the same amount of OB stars and therefore the same amount of irradiating UV flux. Assuming the stars are formed according to a Salpeter IMF (Psi(M) ~ M^-2.35), the star formation region should produce 10^9 Msun of stars (either in one instantaneous burst, or in a continuous process) in order to produce enough IR radiation.

研究动机与目标

• 确定大质量恒星形成是否足以解释观测到的超亮红外星系（ULIRGs）的高红外光度。
• 利用辐射转移和星族合成代码模拟尘埃包裹星暴区的红外特性。
• 研究在解释红外连续谱光度时，星形成率（SFR）与初始质量函数（IMF）之间的退化关系。
• 评估尘埃几何结构、光学厚度和倾角对观测红外SED的影响。
• 识别仅基于红外连续谱建模的局限性，并推动引入光谱特征和分子辐射以获得更精确的参数约束。

提出的方法

• 利用STARBURST99构建演化模型，模拟不同总质量（M_SB）、星形成率（SFR）和初始质量函数斜率（α）的星族。
• 采用RADMC和RADICAL进行三维辐射转移模拟，计算不同几何结构和光学厚度下的尘埃温度与再辐射。
• 变化关键参数：通过张角（η）调节尘埃几何结构，改变光学厚度（τ）和观测倾角（δ），固定尺度大小（10 pc 和 100 pc）。
• 在IRAS波段（12、25、60、100 μm）模拟红外SED，并与IRAS星表比较以确定最佳拟合参数。
• 通过比较正面与边缘视角下的倾角效应，特别关注短波与长波发射。
• 通过测试M_SB、IMF、τ和几何结构的变化对总红外光度（L_IR）和SED形状的影响，评估参数退化关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅靠大质量恒星形成是否足以解释ULIRGs中观测到的高红外光度？
• RQ2 包围星暴区的尘埃的物理特性（温度、柱密度、几何结构）为何种组合时最能重现观测到的红外SED？
• RQ3 星形成率、初始质量函数和尘埃几何结构的变化如何影响预测的红外发射？
• RQ4 观测倾角和尘埃团块性在多大程度上影响观测到的红外光度和SED形状？
• RQ5 为何正面演化轨迹比边缘视角更符合IRAS数据？这对观测到的ULIRG群体意味着什么？

主要发现

• 星暴核心中的尘埃由两部分组成：约400 K的热、紧凑、低光学厚度（τ ≈ 0.1）部分，位于10 pc内；以及约75 K的较冷、扩展、高光学厚度（τ ≈ 10）部分，位于100 pc内。
• ULIRGs可完全由大质量恒星形成驱动，需形成约10^9 M☉的恒星，无论是一次爆发或在Salpeter IMF（α = 2.35）下持续形成。
• 总星暴质量与IMF斜率之间存在退化关系：质量较小的爆发若IMF斜率较平缓，可产生相同的紫外辐射通量，从而导致相同的红外光度。
• 当τ从1增至10时，红外光度增加2.0倍；当τ增至100时，光度增加3.2倍，表明光度对光学厚度的敏感性较弱。
• 倾角效应显著：在τ = 100时，边缘视角的光度下降16倍；但正面视角模型最符合IRAS数据，表明大多数观测到的ULIRGs可能为正面朝向。
• 模型对边缘视角配置的拟合效果差，暗示需引入尘埃团块性（降低有效光学厚度）或存在大量未分类的正面朝向ULIRGs，才能解释观测结果。