[论文解读] High-Resolution Panchromatic Spectral Models of Galaxies including Photoionisation and Dust

Patrik Jönsson, Brent Groves+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2009

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 2被引用 12

一句话总结

本文提出了一种改进的sunrise辐射转移代码，整合了光离化和尘埃发射模型，用于生成模拟星系的高分辨率、二维全波段能谱分布（SED）。通过将多色蒙特卡洛算法与mappingsIII光离化代码相结合，该模型能够准确再现从紫外到亚毫米波段的SED及发射线，与观测到的SINGS和SLUGS星系高度一致——除了在SINGS星系中对160 μm/850 μm比值存在约5倍的低估，这与SLUGS中更高的冷尘含量一致。

ABSTRACT

An updated version of the dust radiation transfer code Sunrise, including models for star-forming regions and a self-consistent calculation of the spatially dependent dust and PAH emission, is presented. Given a hydrodynamic simulation of a galaxy, this model can calculate a realistic 2-dimensional ultraviolet--submillimeter spectral energy distribution of the galaxy, including emission lines from HII regions, from any viewpoint. To model the emission from star-forming regions, the MAPPINGSIII photoionization code is used. The high wavelength resolution (~ 1000 wavelengths) is made possible by the polychromatic Monte-Carlo algorithm employed by Sunrise. From the 2-D spectral energy distributions, images in any filter bands or integrated galaxy SEDs can be created. Using a suite of hydrodynamic simulations of disc galaxies, the output broad-band images and spectral energy distributions are compared with observed galaxies from the multiwavelength SINGS and SLUGS galaxy surveys. Overall, the output spectral energy distributions show a good match with observed galaxies in colours ranging from GALEX far-UV to SCUBA submillimeter wavelengths. The only possible exception is the 160 micron/850 micron colour, which the simulations underestimate by a factor "of order 5" compared to the SINGS sample. However, the simulations here agree with the SLUGS galaxies, which consistently have significantly larger amounts of cold dust than the SINGS galaxies. The Sunrise model can be used to generate simulated observations of arbitrary hydrodynamic galaxy simulations. In this way, predictions of galaxy formation theories can be directly tested against observations of galaxies.

研究动机与目标

• 开发一种物理解释一致的方法，用于计算模拟星系的完整能谱分布（SED），包括发射线和尘埃效应。
• 克服现有模型的局限性，这些模型或忽略空间分辨率，或在星形成区忽略发射线。
• 通过从模拟输出预测真实SED和图像，实现流体动力学星系模拟与多波段观测的直接比较。
• 通过引入具有空间分辨几何结构的辐射转移，弥合基于质量的模拟与基于光的观测之间的差距。
• 为未来对极端系统（如高红移并合星系和活动星系核影响的星系）的建模奠定基础。

提出的方法

• 扩展sunrise代码，利用多色蒙特卡洛算法，自洽地实现空间分辨的尘埃和PAH发射。
• 使用mappingsIII代码对电离区（H ii区）中的光离化进行建模，该代码基于恒星的电离辐射计算发射线和电离结构。
• 模型采用约1000个波长的高光谱分辨率，紫外-光学波段采样更细以解析发射线，红外波段采样更粗。
• 利用流体动力学模拟中获得的恒星和尘埃三维几何结构，执行星系尺度的辐射转移，从而实现从任意视角生成二维SED。
• 通过滤波器响应函数，从完整的二维光谱输出中合成宽带图像和积分SED。
• 通过关联模拟中时间分辨的恒星形成历史，模型考虑了差异性消光、不均匀的星际介质（ISM）以及时间依赖的发射。

实验结果

研究问题

• RQ1 当同时包含光离化和尘埃发射时，辐射转移模型在多大程度上能准确再现模拟星系的全波段SED？
• RQ2 与真实星系相比，该模型在紫外至亚毫米波段对观测SED和颜色的再现程度如何？
• RQ3 为何该模型对SINGS星系的160 μm/850 μm通量比值的预测值比观测值低约5倍？
• RQ4 该模型能否成功地从具有空间分辨恒星形成与尘埃分布的流体动力学模拟中预测SED和图像？
• RQ5 未来工作中，如何将动力学效应和活动星系核（AGN）贡献扩展至该模型？

主要发现

• 该模型能够从流体动力学模拟中生成高分辨率、二维的能谱分布，包括电离区的发射线以及空间分辨的尘埃和PAH发射。
• 预测的SED在紫外至亚毫米波段与SINGS和SLUGS调查中观测到的星系高度一致。
• 与SINGS样本相比，该模型对160 μm/850 μm通量比值的预测值低约5倍，表明模拟中冷尘发射存在不足。
• 该模拟与SLUGS样本高度一致，后者表现出显著更高的冷尘含量，表明与观测到的极端富尘星系一致。
• 该模型的光谱分辨率（约1000个波长）可实现精细的发射线采样，且通过多色算法，更高分辨率（最高达13,000个波段）也完全可行。
• 未来计划扩展该模型，以包含辐射转移中的动力学效应，以及更物理解释的尘埃处理方式（如金属丰度依赖的尘埃颗粒性质）。