[论文解读] Dust masses and star formation in bright IRAS galaxies Application of a physical model for the interpretation of FIR observations

A. Misiriotis, I. E. Papadakis+2 more|ArXiv.org|Dec 10, 2003

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 59被引用 15

一句话总结

本研究将三维辐射转移模型应用于62个明亮的IRAS星系，利用K波段测光和与星形成率（SFR）相关的紫外发射，通过拟合观测到的FIR SED，推导出尘埃质量和星形成率（SFR）。结果表明，这些星系的SFR、尘埃质量和FIR与内在光度之比均高于正常旋涡星系，且FIR光度与SFR/尘埃质量之间存在强相关性，使得SFR估计的误差在约2倍以内。

ABSTRACT

We address the problem of modeling the far-infrared (FIR) spectrum and deriving the star-formation rate (SFR) and the dust mass of spiral galaxies. We use the realistic physical model of Popescu et al. (2000) to describe the overall ultra-violet (UV), optical and FIR spectral energy distribution (SED) of a spiral galaxy. The model has only three free parameters: SFR, dust mass, and the fraction of the UV radiation which is absorbed locally by dense dust in the HII regions. Using this model, we are able to fit well the FIR spectra of 62 bright, IRAS galaxies from the "SCUBA Local Universe Galaxy Survey" of Dunne et al.(2000). As a result, we are able to determine, among others, their SFR and dust mass. We find that, on average, the SFR (in absolute units), the star-formation efficiency, the SFR surface density, and the ratio of FIR luminosity over the total intrinsic luminosity, are larger than the respective values of typical spiral galaxies of the same morphological type. We also find that the mean gas-to-dust mass ratio is close to the Galactic value, while the average central face-on optical depth of these galaxies in the V band is 2.3. Finally, we find a strong correlation between SFR or dust mass and observed FIR quantities like total FIR luminosity or FIR luminosity at 100 and 850 $\mathrm{μm}$. These correlations yield well defined relations, which can be used to determine a spiral galaxy's SFR and dust-mass content from FIR observations.

研究动机与目标

• 开发一种在螺旋星系中利用FIR观测推导星形成率（SFR）和尘埃质量的物理解释方法。
• 解决标准SFR诊断方法在正常旋涡星系中因尘埃消光而产生的偏差问题。
• 研究尘埃几何、光学深度和恒星分布对FIR谱能分布（SED）的影响。
• 确定在中等光学深度的星系中，FIR光度是否能可靠地与SFR和尘埃质量相关联。
• 建立经验诊断关系，用于从晚期型旋涡星系的FIR流量估算SFR和尘埃质量。

提出的方法

• 使用三维辐射转移模型模拟从紫外到FIR的完整SED，考虑螺旋星系中老年星和年轻星以及尘埃的空间分布。
• 通过观测的K波段星等推导出内在K波段SED，同时利用星族合成模型将紫外SED按星形成率进行缩放。
• 求解辐射转移方程，以计算尘埃加热、FIR波段再辐射以及由此产生的出射SED。
• 每个星系调整三个自由参数：SFR、尘埃质量和局部HII区吸收的紫外辐射比例F。
• 将SCUBA本地宇宙星系巡天中观测到的FIR SED与模型SED进行拟合，以推导物理参数。
• 模型假设850 μm处的尘埃截面为0.505 cm²/g，并对其他取值进行了敏感性分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 在中等光学深度、且同时包含年轻星和老年星贡献的条件下，明亮IRAS星系的FIR SED如何与它们的内在SFR和尘埃质量相关？
• RQ2 HII区中局部吸收的紫外辐射比例F在多大程度上能解释这些星系相对于正常旋涡星系的增强FIR与内在光度比？
• RQ3 一个物理解释模型能否可靠地再现晚期型旋涡星系在K波段星等高于同类型平均值时的FIR SED？
• RQ4 这些星系中的尘埃质量、气体面密度和光学深度之间的关系是什么？与银河系值相比有何差异？
• RQ5 是否能仅从FIR流量可靠地估算模型推导出的SFR和尘埃质量？其不确定性如何？

主要发现

• 样本星系的平均星形成率（SFR）和尘埃质量高于同形态类型的一般旋涡星系。
• 平均气体与尘埃质量比接近银河系值，表明尘埃化学无显著偏离。
• 平均中心面朝V波段光学深度为2.3，表明即使在正对星系中心时，内部区域仍具有高消光。
• FIR光度（L_FIR）与SFR之间存在强相关性，使得仅通过L_FIR或L_100即可实现SFR估计，误差在约2倍以内。
• 随着星系光度增加，单位光度的SFR下降，与正常星系中的趋势一致。
• 模型推导的尘埃质量与850 μm光度高度相关，不确定性主要取决于850 μm处假设的尘埃截面。