[论文解读] PHANGS-MUSE: The H II region luminosity function of local star-forming galaxies

Francesco Santoro, Kathryn Kreckel+31 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 126被引用 69

一句话总结

本研究基于PHANGS-MUSE巡天对19个近邻旋涡星系中23,000个解析的H II区进行了观测，首次实现了在67 pc空间分辨率下对河外H II区Hα光度函数（LF）的大样本测量。研究发现，光度函数斜率α = −1.73 ± 0.15随恒星形成率面密度（ΣSFR）的增加而减小，这是由于高气体密度下年轻恒星聚集增强所致；星系旋臂与旋臂间区域的差异表明，旋臂结构增强了分子云质量对比度，而电离参数的差异则表明H II区存在由年龄驱动的演化过程。

ABSTRACT

We use an unprecedented sample of about 23,000 HII regions detected at an average physical resolution of 67pc in the PHANGS-MUSE sample to study the extragalactic HII region Ha luminosity function (LF). Our observations probe the star-forming disk of 19 nearby spiral galaxies with low inclination and located close to the star formation main sequence at z=0. The mean LF slope $\alpha$ in our sample is =1.73 with a $\sigma$ of 0.15. We find that $\alpha$ decreases with the galaxy's star formation rate surface density and argue that this is driven by an enhanced clustering of young stars at high gas surface densities. Looking at the HII regions within single galaxies we find that no significant variations occur between the LF of the inner and outer part of the star-forming disk, whereas the LF in the spiral arm areas is shallower than in the inter-arm areas for six out of the 13 galaxies with clearly visible spiral arms. We attribute these variations to the spiral arms increasing the molecular clouds arm--inter-arm mass contrast and find suggestive evidence that they are more evident for galaxies with stronger spiral arms. Furthermore, we find systematic variations in $\alpha$ between samples of HII regions with high and low ionization parameter q and argue that they are driven by the aging of HII regions.

研究动机与目标

• 以前所未有的统计精度和空间分辨率测量河外H II区Hα光度函数（LF）。
• 研究星系整体属性（如ΣSFR、金属度、形态）和局部环境（旋臂与旋臂间区域）对光度函数斜率α的影响。
• 确定光度函数斜率的变化是否由恒星形成聚集、反馈或H II区老化等物理过程驱动。
• 通过与ALMA和HST数据的对比，将H II区LF与潜在的初始质量函数（IMF）及恒星形成效率联系起来。

提出的方法

• 利用MUSE积分场光谱仪在约67 pc分辨率下检测并表征了19个近邻旋涡星系中的23,000个H II区。
• 采用最大似然估计（MLE）拟合H II区LF，无需分箱处理，避免了直方图带来的偏差。
• 根据电离参数q对H II区进行分类，以探究年龄依赖的演化效应。
• 比较不同星系区域（内盘/外盘、旋臂与旋臂间）的LF斜率，并与ΣSFR、金属度和形态相关联。
• 通过模拟H II区星表评估完整性和拥挤效应，以验证LF测量的可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 H II区Hα光度函数斜率α如何随星系恒星形成率面密度（ΣSFR）变化？
• RQ2 在具有明显旋涡结构的星系中，旋臂与旋臂间区域LF斜率的差异由何原因造成？
• RQ3 电离参数q的差异如何反映H II区的年龄和演化状态？
• RQ4 气相金属度和尘埃含量在多大程度上影响H II区LF？
• RQ5 LF斜率的变化是否可与恒星形成聚集或反馈 timescales 相关联？

主要发现

• H II区Hα光度函数的平均斜率为α = −1.73 ± 0.15，与以往对类似星系的研究结果一致。
• 随着ΣSFR增加，LF斜率α减小（即变得更平缓），表明在恒星形成面密度较高的区域，明亮H II区的相对数量更多。
• 该趋势归因于高气体面密度下年轻恒星聚集增强，支持理论预测的恒星形成效率提升。
• 在内盘与外盘区域之间未发现LF斜率的显著差异，表明径向梯度下恒星形成物理机制保持一致。
• 对于具有旋臂的星系，旋臂区域的LF比旋臂间区域更平缓，可能由于旋涡密度波增强了分子云的质量对比度。
• 电离参数q较高的H II区LF比q较低的H II区更平缓，表明高q区域更年轻、演化程度更低，年龄是电离参数差异的主要驱动因素。