[论文解读] PAHs as a tracer of star formation?

E. Peeters, H. W. W. Spoon+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2004

Spectroscopy and Laser Applications被引用 201

一句话总结

本研究利用银河系及河外星系源的中红外（MIR）与远红外（FIR）光谱诊断，评估多环芳烃（PAH）发射特征作为恒星形成活动的示踪剂。研究发现，PAH更好地追踪B型星而非大质量O型星；在正常星系与星暴星系中，PAH发射类似于暴露的光致离解区（PDR），而超亮红外星系（ULIRGs）则表现出多样且常被遮蔽的光谱特征，具有显著的FIR发射。

ABSTRACT

IR emission bands at 3.3, 6.2, 7.7, 8.6 and 11.3 um are generally attributed to IR fluorescence from (mainly) FUV pumped PAHs. As such, they trace the FUV stellar flux and are a measure of star formation. We examined the IR spectral characteristics of Galactic star forming regions, normal and starburst galaxies, AGNs and ULIRGs. The goal is to analyze if PAH bands are a good qualitative and/or quantitative tracer of star formation and hence the application of PAH bands as a diagnostic in order to identify the dominant processes contributing to the IR emission from Seyfert's and ULIRGs. We develop a MIR/FIR diagnostic and compare it to known diagnostics, with these also applied to the Galactic sample. This diagnostic is based on the FIR normalized 6.2 um PAH flux and the FIR normalized 6.2 um continuum flux. The Galactic sources form a sequence spanning a range of 3 orders of magnitude, from embedded compact HII regions to exposed PDRs and the (D)ISM. The variation in the 6.2 um PAH/continuum ratio is relative small. Normal and starburst galaxies ressemble exposed PDRs. While Seyfert-2's coincide with the starburst trend, Seyfert-1's are displaced by at least a factor 10 in 6.2 um continuum flux. ULIRGs show a diverse spectral appearance (AGN hot dust continuum, starburst-like or strong dust obscuration in the nucleus). ULIRGs also seems to have more prominent FIR emission than either starburst galaxies or AGNs. We discuss the observed variation in the Galactic sample in view of the evolutionary state and the PAH/dust abundance and the use of PAHs as quantitative tracers of star formation activity. We find that PAHs may be better suited as a tracer of B stars, which dominate the Galactic stellar energy budget, than as a tracer of massive star formation (O stars).

研究动机与目标

• 评估PAH发射特征是否可作为不同天体物理环境中恒星形成活动的定量示踪剂。
• 基于6.2 µm PAH与连续谱通量比，开发并验证一种新型MIR/FIR诊断图，用于区分活动星系核（AGN）、星暴与PDR主导的源。
• 利用银河系及河外星系样本，将新型MIR/FIR图的诊断能力与现有工具（Genzel et al. 1998；Laurent et al. 2000）进行比较。
• 探究不同H II区类型与星际环境之间PAH发射观测差异背后的演化与成分驱动因素。
• 评估PAH作为恒星形成定量示踪剂的适用性，特别是在ULIRGs与AGN主导系统中。

提出的方法

• 利用FIR归一化的6.2 µm PAH通量与FIR归一化的6.2 µm连续谱通量之比，构建新型MIR/FIR诊断图。
• 分析21个银河系大质量恒星形成区的MIR光谱，包括致密H II区、PDR及弥散ISM视线方向。
• 在相同的银河系及河外星系样本上，比较新型MIR/FIR图与Genzel et al. (1998) 及Laurent et al. (2000) 图表的诊断性能。
• 利用PAH光度分布与光谱能量分布，比较正常星系/星暴星系、赛弗特星系、类星体及ULIRGs的特性。
• 评估演化状态与PAH/尘埃丰度在银河系样本中驱动光谱变化的作用。
• 引入PDR微结构线（如[O I] 63 µm、[C II] 158 µm）作为补充诊断，评估如Arp 220等遮蔽系统中PDR的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 PAH发射特征能否作为星系中恒星形成活动的可靠定量示踪剂？
• RQ2 银河系H II区的MIR/FIR光谱特征与河外星暴星系及AGN相比有何异同？
• RQ3 在银河系恒星能量预算中，PAH特征在多大程度上示踪B型星而非O型星？
• RQ4 为何ULIRGs表现出如此多样的光谱形态？这对其主导能量来源意味着什么？
• RQ5 与现有诊断工具相比，新型MIR/FIR诊断图在区分AGN、星暴与PDR主导发射方面的有效性如何？

主要发现

• 在银河系H II区中，6.2 µm PAH与连续谱通量比的变化小于3倍，表明尽管FIR归一化通量范围达三个数量级，其本征变化仍较低。
• 赛弗特-1星系在6.2 µm连续谱通量上相对于赛弗特-2星系至少偏移10倍，与统一方案及方向依赖性遮蔽一致。
• 正常星系与星暴星系在MIR光谱特征上与暴露PDR极为相似，尤其体现在6.2 µm PAH与连续谱比值上。
• ULIRGs表现出多样的光谱形态：部分呈现类AGN的热尘埃连续谱，部分类似星暴，许多则表现出强烈的核区尘埃遮蔽。
• ULIRGs的FIR发射比星暴星系或AGN更显著，表明存在显著的冷尘埃或延展发射贡献。
• PAH更适合作为B型星（主导银河系恒星能量预算）的示踪剂，而非大质量O型星，挑战了PAH直接示踪O型星主导恒星形成这一假设。