[论文解读] Ionization of the diffuse gas in galaxies: Hot low-mass evolved stars at work

Flores-Fajardo, Nahiely, Morisset, Christophe+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 102

一句话总结

本文提出，热低质量演化星（HOLMES）是NGC 891星系中星系平面上方弥散电离气体（eDIG）的主要电离源，解释了随银纬升高而观测到的[O iii]/Hβ、[O ii]/Hβ和[N ii]/Hα比值上升的现象。通过结合HOLMES与大质量OB星的精细网格光致电离模型，研究发现电子密度随高度增加而降低，仅在太阳金属度条件下HOLMES在高z处占主导地位，且N/O随z升高，表明HOLMES前身星导致了气体的富集。

ABSTRACT

We revisit the question of the ionization of the diffuse medium in late type galaxies, by studying NGC 891, the prototype of edge-on spiral galaxies. The most important challenge for the models considered so far was the observed increase of [OIII]/Hbeta, [OII]/Hbeta, and [NII]/Halpha with increasing distance to the galactic plane. We propose a scenario based on the expected population of massive OB stars and hot low-mass evolved stars (HOLMES) in this galaxy to explain this observational fact. In the framework of this scenario we construct a finely meshed grid of photoionization models. For each value of the galactic latitude z we look for the models which simultaneously fit the observed values of the [OIII]/Hbeta, [OII]/Hbeta, and [NII]/Halpha ratios. For each value of z we find a range of solutions which depends on the value of the oxygen abundance. The models which fit the observations indicate a systematic decrease of the electron density with increasing z. They become dominated by the HOLMES with increasing z only when restricting to solar oxygen abundance models, which argues that the metallicity above the galactic plane should be close to solar. They also indicate that N/O increases with increasing z.

研究动机与目标

• 解决长期以来关于晚型星系中发射线比值（如[O iii]/Hβ和[N ii]/Hα）随银道面距离增加而升高的谜题。
• 检验此前被忽视的热低质量演化星（HOLMES）是否能解释星系平面上方弥散电离气体（eDIG）的电离机制。
• 在NGC 891中构建一个自洽的光致电离模型，同时考虑大质量OB星和HOLMES作为电离源。
• 约束电子密度、金属度及N/O丰度比随银纬z的变化关系。
• 评估HOLMES是否足以解释观测到的线比，而无需引入激波、宇宙射线或其他非恒星电离机制。

提出的方法

• 基于NGC 891已知的星族模型，构建了结合大质量OB星与HOLMES电离辐射场的精细网格光致电离模型。
• 针对每个银纬z，选取能同时再现观测到的[O iii]/Hβ、[O ii]/Hβ和[N ii]/Hα比值的模型。
• 将氧丰度（O/H）和氮/氧比（N/O）作为自由参数，以探索eDIG中化学参数的退化问题。
• 利用观测到的Hβ线校正消光和恒星吸收，实现准确的流量比测量。
• 将模型输出与Otte等人（2001年）沿垂直于银道面的狭缝获得的深谱数据进行对比。
• 在附录中进行了敏感性分析，评估小颗粒和[Ne iii]/[Ne ii]线比的影响，确认了主要结论的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 NGC 891中观测到的[O iii]/Hβ、[O ii]/Hβ和[N ii]/Hα比值随银道面高度升高而增加的现象，能否由大质量OB星与HOLMES共同作为电离源来解释？
• RQ2 随着远离银道面，HOLMES对电离辐射场的相对贡献如何变化？
• RQ3 观测到的线比变化是否意味着电子密度、金属度或N/O丰度随高度发生变化？
• RQ4 eDIG的金属度是否与太阳值一致，如HOLMES在高z处占主导地位所暗示的那样？
• RQ5 HOLMES是否足以单独解释eDIG的电离，而无需引入激波、宇宙射线或其他非恒星机制？

主要发现

• 所有银纬z均存在解，表明该模型可在整个星系平面上方区域重现观测到的线比。
• 电子密度随z增加系统性降低，与高处由更硬辐射场电离的预期一致。
• 在假设太阳氧丰度的前提下，HOLMES在高z处成为主导电离源，表明eDIG金属度接近太阳值。
• N/O比随z升高，表明HOLMES前身星随时间推移逐步富集了eDIG。
• 该模型成功再现了观测到的[O iii]/Hβ、[O ii]/Hβ和[N ii]/Hα比值，无需引入额外电离机制。
• 在[Ne iii]/[Ne ii]比值上的差异归因于高能波段恒星谱能分布的不确定性，而非HOLMES模型本身的缺陷。