[论文解读] HERschel Observations of Edge-on Spirals (HEROES). I: Far-infrared morphology and dust mass determination

J. Verstappen, J. Fritz+12 more|ORCA Online Research @Cardiff (Cardiff University)|May 14, 2013

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 91被引用 27

一句话总结

本研究利用赫歇尔空间望远镜的远红外观测，分析了侧向螺旋星系的尘埃形态并测定其尘埃质量。研究发现三颗星系存在垂直方向延伸的辐射，其中NGC 4013表现出真实的垂直结构；研究还表明，随波长增加而观测到的尺度高度增加，是由于空间分辨率下降所致，而非温度梯度所致。研究发现尘埃质量差异与较小的尘埃尺度高度之间存在初步相关性，暗示更致密的盘面中尘埃团块性更强。

ABSTRACT

Context. Edge-on spiral galaxies with prominent dust lanes provide us with an excellent opportunity to study the distribution and properties of the dust within them. The HEROES project was set up to observe a sample of seven large edge-on galaxies across various wavelengths for this investigation. Aims. Within this first paper, we present the Herschel observations and perform a qualitative and quantitative analysis on them, and we derive some global properties of the far infrared and submillimetre emission. Methods. We determine horizontal and vertical profiles from the Herschel observations of the galaxies in the sample and describe the morphology. Modified black-body fits to the global fluxes, measured using aperture photometry, result in dust temperatures and dust masses. The latter values are compared to those that are derived from radiative transfer models taken from the literature. Results. On the whole, our Herschel flux measurements agree well with archival values. We find that the exponential horizontal dust distribution model often used in the literature generally provides a good description of the observed horizontal profiles. Three out of the seven galaxies show signatures of extended vertical emission at 100 and 160 μm at the 5σ level, but in two of these it is probably due to deviations from an exactly edge-on orientation. Only for NGC 4013, a galaxy in which vertically extended dust has already been detected in optical images, we can detect vertically extended dust, and the derived scaleheight agrees with the value estimated through radiative transfer modelling. Our analysis hints at a correlation between the dust scaleheight and its degree of clumpiness, which we infer from the difference between the dust masses as calculated from modelling of optical data and from fitting the spectral energy distribution of Herschel datapoints.

研究动机与目标

• 利用高分辨率赫歇尔观测数据，研究侧向螺旋星系的远红外（FIR）尘埃形态。
• 通过FIR流量的修正黑体拟合及基于光学消光的辐射转移建模，确定尘埃质量。
• 探究远红外辐射在垂直方向上延伸的成因，评估其是否反映真实的三维尘埃分布，还是投影效应所致。
• 探索尘埃质量差异与尘埃尺度高度之间的潜在相关性，作为星际介质团块性的探测手段。
• 检验在较长波长下因空间分辨率限制是否会导致观测到的尺度高度随波长增加的假象。

提出的方法

• 赫歇尔PACS与SPIRE仪器在70、100和160 μm波段对七颗侧向螺旋星系进行了观测。
• 对FIR流量应用修正黑体拟合，以推导尘埃质量与温度。
• 基于光学图像的辐射转移模型用于从消光推导尘埃质量，从而与FIR推导的质量进行对比。
• 从FIR图像与辐射转移模型中分别测量尘埃垂直尺度高度，以评估一致性。
• 采用稳健的拟合算法将模型输出与观测数据进行比较，包括事后引入紧凑尘埃组分以解释FIR光度不足。
• 通过统计分析检验样本中尘埃质量差异与尘埃尺度高度之间的相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 侧向螺旋星系中观测到的远红外辐射垂直延伸，是源于真实的三维尘埃结构，还是由于非完美侧向取向导致的投影效应？
• RQ2 观测到的尘埃尺度高度随远红外波长增加的现象，是源于物理温度梯度，还是仪器的空间分辨率效应？
• RQ3 由消光与FIR拟合所得尘埃质量之间的差异，是否与星系的尘埃尺度高度存在相关性？
• RQ4 在辐射转移模型中，通过引入紧凑尘埃组分是否可以解释FIR光度不足？该组分与观测到的尘埃形态有何关联？
• RQ5 从质量差异中推断出的尘埃团块性程度，是否与星系盘面中尘埃的空间集中程度相关？

主要发现

• 三颗星系（NGC 4217、NGC 5907、NGC 4013）在5σ水平上显示出远红外辐射的垂直延伸，其中NGC 4013表现出独立于投影效应的真实垂直结构。
• 观测到的随FIR波长增加而出现的尘埃尺度高度增加，归因于图像分辨率随波长下降，而非物理温度梯度。
• 发现尘埃质量差异（由消光与FIR拟合所得）与较小的尘埃尺度高度之间存在初步相关性，暗示更致密、更薄的盘面中尘埃团块性更高。
• 尘埃质量的差异可能反映了光学消光图中未完全捕捉到的紧凑、未解析尘埃组分的存在，与需事后引入此类组分的模型一致。
• 辐射转移建模证实，标准模型中的FIR光度不足可通过增加紧凑尘埃发射组分得到解决，支持高面亮度区域中星际介质存在团块性的解释。
• 结果与如下情景一致：在更薄的盘面中，尘埃更集中且团块性更强，而在更厚、更扩展的系统中则呈现更平滑的分布。