[论文解读] Molecular Gas, Dust and Star Formation in Galaxies: II. Dust properties and scalings in \sim\ 1600 nearby galaxies

Gustavo Orellana, N. M. Nagar D. Elbaz+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 3被引用 9

一句话总结

本研究利用 WISE、IRAS、Planck 和 SCUBA 的多波长测光数据，对约 1,600 个近邻星系中的尘埃性质进行了分析，通过 Draine & Li 尘埃模型拟合 SED，推导出尘埃质量、光度和温度。研究建立了 L_IR、M_dust 和 T_cold 之间的“尘埃平面”，并提供了可靠的经验证关系，可基于有限数据估算尘埃和气体性质，当尘埃温度已知时，误差可降低至 0.05 dex。

ABSTRACT

We aim to characterize the relationship between dust properties. We also aim to provide equations to estimate accurate dust properties from limited observational datasets. We assemble a sample of 1,630 nearby (z<0.1) galaxies-over a large range of Mstar, SFR - with multi-wavelength observations available from wise, iras, planck and/or SCUBA. The characterization of dust emission comes from SED fitting using Draine & Li dust models, which we parametrize using two components (warm and cold ). The subsample of these galaxies with global measurements of CO and/or HI are used to explore the molecular and/or atomic gas content of the galaxies. The total Lir, Mdust and dust temperature of the cold component (Tc) form a plane that we refer to as the dust plane. A galaxy's sSFR drives its position on the dust plane: starburst galaxies show higher Lir, Mdust and Tc compared to Main Sequence and passive galaxies. Starburst galaxies also show higher specific Mdust (Mdust/Mstar) and specific Mgas (Mgas/Mstar). The Mdust is more closely correlated with the total Mgas (atomic plus molecular) than with the individual components. Our multi wavelength data allows us to define several equations to estimate Lir, Mdust and Tc from one or two monochromatic luminosities in the infrared and/or sub-millimeter. We estimate the dust mass and infrared luminosity from a single monochromatic luminosity within the R-J tail of the dust emission, with errors of 0.12 and 0.20dex, respectively. These errors are reduced to 0.05 and 0.10 dex, respectively, if the Tc is used. The Mdust is correlated with the total Mism (Mism \propto Mdust^0.7). For galaxies with Mstar 8.5

研究动机与目标

• 对大样本近邻星系中的尘埃性质（质量、光度、温度）进行表征，并将其与星系整体性质关联。
• 研究尘埃与气体含量（原子态与分子态）以及恒星形成模式之间的关系。
• 基于有限的测光数据，开发准确的尘埃与气体性质经验估算方法。
• 阐明尘埃温度与恒星形成效率在塑造尘气关系中的作用。
• 为大规模巡天和星系演化研究提供校准后的比例关系。

提出的方法

• 构建了 1,629 个近邻星系（z < 0.1）的样本，其多波长测光数据来自 WISE、IRAS、Planck 和 SCUBA，数据统一。
• 使用 Draine & Li（2007）尘埃模型对观测 SED 进行拟合，模型包含两个组分：温暖（45–70 K）和冷（18–31 K）尘埃。
• 通过 SED 拟合推导出关键尘埃参数：总红外光度（L_IR）、尘埃质量（M_dust）和冷组分温度（T_cold）。
• 探索尘埃性质与星系整体参数（恒星质量 M_*、恒星形成率 SFR、特定恒星形成率 sSFR，以及总气体质量 M_gas = M_HI + M_H2）之间的相关性。
• 开发经验比例关系，仅通过一个或两个单色光度（特别是 850 μm 波段）估算 L_IR、M_dust 和 T_cold。
• 通过散点分布与相关性分析量化估算方法的不确定性，并利用独立测量结果进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大样本近邻星系中，尘埃质量、光度和温度如何与星系恒星形成模式（sSFR）相关联？
• RQ2 是否可仅通过瑞利-金斯尾巴中的单个单色光度准确估算总红外光度与尘埃质量？相关误差是多少？
• RQ3 尘埃与恒星质量比如何随恒星质量与恒星形成效率变化？
• RQ4 尘埃质量是否与总气体质量（原子态 + 分子态）的相关性更强，而非与任一成分单独相关？
• RQ5 850 μm 到总 ISM 质量转换因子（α_850）的散点与相关性如何？其依赖于 L_IR 或 sSFR 的程度如何？

主要发现

• 由 L_IR、M_dust 和 T_cold 定义的尘埃平面表明，星暴星系（高 sSFR）的尘埃质量、光度和冷尘温度均高于主序列或非活跃星系。
• 尘埃质量与总 ISM 质量（M_ISM ∝ M_dust^0.7）的相关性优于与分子或原子气体质量单独的相关性。
• 仅通过一个 850 μm 单色光度，L_IR 和 M_dust 的估算误差分别为 0.12 dex 和 0.20 dex；当已知 T_cold 时，误差可降低至 0.05 dex 和 0.10 dex。
• α_850 因子（850 μm 光度与总 ISM 质量之比）具有较大散点（rms = 0.29 dex），且与 L_IR 仅呈微弱相关，表明不存在普适的转换因子。
• 具有高比尘埃质量（M_dust/M_*）的星系为富气星系，且表现出高恒星形成率，证实了尘埃含量、气体储备与恒星形成活动之间存在强关联。
• 本研究提供了校准后的 DL07 模型参数与经验关系，显著降低了基于有限测光数据估算尘埃与气体性质时的不确定性。