[论文解读] ISM properties in low-metallicity environments I. mid-infrared spectra of dwarf galaxies

S. C. Madden, F. Galliano+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2005

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 81被引用 170

一句话总结

本研究利用ISO/ISOCAM对低金属丰度矮星系的中红外（MIR）光谱进行分析，以探究星际介质（ISM）的性质。结果发现，PAH发射在整体和空间分布上均较微弱，而[Ne iii]和[S iv]谱线占主导地位，表明辐射场较为强烈；PAH/VSG比值与[Ne iii]/[Ne ii]比值之间存在显著相关性，揭示了辐射场的硬度（而不仅仅是低金属丰度）在这些环境中主导PAH破坏过程。

ABSTRACT

We present new ISOCAM mid-infrared spectra of three starbursting nearby dwarf galaxies, NGC1569, IIZw40, NGC1140 and the 30Dor region of the LMC and explore the properties of the ISM in low-metallicity environments, also using additional sources from the literature. We analyse the various components of the ISM probed by the mid-infrared observations and compare them with other Galactic and extragalactic objects. The MIR spectra of the low-metallicity starburst sources are dominated by the [NeIII] and [SIV] lines, as well as a steeply rising dust continuum. PAH bands are generaly faint, both locally and averaged over the full galaxy, in stark contrast to dustier starburst galaxies, where the PAH features are very prominant and even dominate on global scales. The hardness of the modeled interstellar radiation fields for the dwarf galaxies increases as the presence of PAH band emission becomes less pronounced. The [NeIII]/[NeII] ratios averaged over the full galaxy are strikingly high, often >10. Thus, the hard radiation fields are pronounced and pervasive. We find a prominent correlation between the PAHs/VSGs and the [NeIII]/[NeII] ratios for a wide range of objects, including the low metallicity galaxies as well as Galactic HII regions and other metal-rich galaxies. This effect is consistent with the hardness of the interstellar radiation field playing a major role in the destruction of PAHs in the low metallicity ISM. We see a PAHs/VSGs and metallicity correlation, also found by Engelbracht et al. (2005) for a larger survey. Combined effects of metallicity and radiation field seem to be playing important roles in the observed behavior of PAHs in the low metallicity systems.

研究动机与目标

• 利用高分辨率ISOCAM光谱对低金属丰度矮星系中的中红外星际介质（ISM）进行表征。
• 确定这些系统中尘埃、气体谱线和PAH对MIR发射的相对贡献。
• 研究低金属丰度和强辐射场如何影响多环芳烃（PAHs）的激发与存活。
• 将低金属丰度矮星系的ISM特性与银河系H II区及金属丰度较高的星暴星系进行比较，以识别普遍趋势。
• 评估宽波段MIR测光在低金属丰度环境中解释ISM组分的可靠性。

提出的方法

• 获取三个星暴矮星系（NGC 1569、NGC 1140、II Zw 40）及30 Dor区域的ISOCAM中红外光谱（5–16 µm）。
• 通过光谱分解分离出离子发射线（如[Ne iii] λ15.56 µm、[S iv] λ10.51 µm）、尘埃连续谱（来自非常小颗粒）和PAH特征的贡献。
• 对NGC 1569和30 Dor进行空间分辨分析，分别采用2.4 pc和106 pc的分辨率，以绘制ISM组分的分布图。
• 计算[Ne iii]/[Ne ii]谱线比值，作为样本中辐射场硬度的代理指标。
• 在包括银河系H II区和金属丰度较高的星系在内的多种天体中，分析PAH/VSG发射比值与[Ne iii]/[Ne ii]比值之间的相关性。
• 与文献数据及尘埃SED建模结果比较，评估低金属丰度系统中尘埃丰度和消光效应的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 低金属丰度矮星系的中红外光谱特征与更金属丰度较高的星暴星系或螺旋星系有何不同？
• RQ2 在低金属丰度环境中，PAH、非常小颗粒（VSGs）和离子发射线对MIR流量的相对贡献如何？
• RQ3 与金属丰度本身相比，星际辐射场的硬度在多大程度上控制了这些星系中PAH的破坏？
• RQ4 NGC 1569和30 Dor的空间分辨MIR图谱如何揭示辐射场、电离气体与尘埃发射之间的关系？
• RQ5 在不同金属丰度和恒星形成环境中，PAH/VSG比值与[Ne iii]/[Ne ii]比值之间是否存在普遍相关性？

主要发现

• 低金属丰度矮星系的MIR光谱主要由[Ne iii] λ15.56 µm和[S iv] λ10.51 µm谱线主导，尘埃连续谱呈陡峭上升趋势，而PAH谱带在局部和整体上均较微弱。
• [Ne iii]/[Ne ii]谱线比值在低金属丰度星系中异常高，通常超过10，表明存在广泛且强烈的星际辐射场。
• 在包括低金属丰度矮星系、银河系H II区和金属丰度较高的星暴星系在内的广泛天体范围内，PAH/VSG比值与[Ne iii]/[Ne ii]比值之间存在显著相关性，覆盖三个数量级。
• 在15 µm ISOCAM宽波段中，[Ne iii]谱线本身可贡献高达10%的流量；在像II Zw 40这样的活跃星系中，6.7 µm波段的贡献大致来自PAH和热尘埃连续谱各半。
• 在NGC 1569和30 Dor中，[Ne iii]发射形成一条靠近中心电离源的尖锐脊状结构，而PAH峰值避开强辐射场区域，VSG则更倾向于聚集在该区域。
• NGC 1569中[Ne ii]和[Ne iii]谱线的空间分布与Hα喷流一致，表明电离辐射与电离气体动力学之间存在强烈耦合。