[论文解读] Probing the Dust Properties of Galaxies at Submillimetre Wavelengths II. Dust-to-gas mass ratio trends with metallicity and the submm excess in dwarf galaxies

M. Galametz, S. C. Madden+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 132被引用 117

一句话总结

本研究探讨了亚毫米波（submm）观测对星系中尘埃质量及尘气质量比（D/G）测量的影响，尤其针对低金属丰度矮星系。通过对比包含与不包含亚毫米数据（≥160 μm）的光谱能量分布（SED）建模，作者表明亚毫米波约束对准确估算尘埃质量至关重要——可减少误差并揭示9个低金属丰度星系中存在亚毫米波多余辐射。关键发现是，引入亚毫米波数据可使D/G与金属丰度之间的相关性更加紧密，尤其当加入10 K冷尘成分以解释多余辐射时效果更显著。

ABSTRACT

We are studying the effects of submm observations on the total dust mass and thus dust-to-gas mass ratio measurements. We gather a wide sample of galaxies that have been observed at submm wavelengths to model their Spectral Energy Distributions using submm observations and then without submm observational constraints in order to quantify the error on the dust mass when submm data are not available. Our model does not make strong assumptions on the dust temperature distribution to precisely avoid submm biaises in the study. Our sample includes 52 galaxies observed at submm wavelengths. Out of these, 9 galaxies show an excess in submm which is not accounted for in our fiducial model, most of these galaxies being low- metallicity dwarfs. We chose to add an independant very cold dust component (T=10K) to account for this excess. We find that metal-rich galaxies modelled with submm data often show lower dust masses than when modelled without submm data. Indeed, these galaxies usually have dust SEDs that peaks at longer wavelengths and require constraints above 160 um to correctly position the peak and sample the submillimeter slope of their SEDs and thus correctly cover the dust temperature distribution. On the other hand, some metal-poor dwarf galaxies modelled with submm data show higher dust masses than when modelled without submm data. Using submm constraints for the dust mass estimates, we find a tightened correlation of the dust-to-gas mass ratio with the metallicity of the galaxies. We also often find that when there is a submm excess present, it occurs preferentially in low-metallicity galaxies. We analyse the conditions for the presence of this excess and find a relation between the 160/850 um ratio and the submm excess.

研究动机与目标

• 评估亚毫米波（submm）观测对星系中尘埃质量及尘气质量比（D/G）测量的影响。
• 调查在标准SED模型中未被解释的低金属丰度矮星系中亚毫米波多余辐射的存在及其物理成因。
• 通过对比有无亚毫米波数据约束的模型，提高尘埃质量估算的准确性。
• 研究亚毫米波数据如何优化观测到的尘气质量比与星系金属丰度之间的相关性。
• 评估在高红移及低金属丰度星系中，亚毫米波观测对可靠D/G测量的必要性。

提出的方法

• 整理了52个具有亚毫米波观测（850/870 μm，有时含450 μm）的星系样本，涵盖从低金属丰度矮星系到高金属丰度系统的广泛范围。
• 利用文献中的中红外至远红外波段数据，对光谱能量分布（SED）进行建模，分别在有与无亚毫米波通量约束的条件下进行。
• 首先应用一个不包含冷尘成分的基准模型；对于表现出亚毫米波多余辐射的星系，额外加入一个冷尘成分（T = 10 K，β = 1）以改善拟合效果。
• 在两种建模条件下，分别推导每个星系的总尘埃质量和尘气质量比（D/G），以量化亚毫米波数据的影响。
• 利用亚毫米波约束的模型重新评估D/G与金属丰度的依赖关系，以判断相关性是否因数据改善而更加紧密。
• 分析160/850 μm通量比，作为识别亚毫米波多余辐射及其与冷尘辐射关系的诊断工具。

实验结果

研究问题

• RQ1 亚毫米波观测如何影响星系中尘埃质量估算的准确性？
• RQ2 在低金属丰度矮星系中观测到的亚毫米波多余辐射的起源及其物理本质是什么？
• RQ3 在D/G与金属丰度的相关性中，引入亚毫米波数据是否能提升其紧密程度？
• RQ4 缺乏亚毫米波数据在多大程度上导致尘埃质量的系统性高估或低估？
• RQ5 160/850 μm通量比与星系中亚毫米波多余辐射的存在之间是否存在可测量的相关性？

主要发现

• 亚毫米波数据对准确估算尘埃质量至关重要：若无此数据，高金属丰度星系中的尘埃质量会因峰值位置错误定位及Rayleigh-Jeans谱斜率采样不当而系统性高估。
• 在低金属丰度矮星系中，引入亚毫米波数据使尘埃质量估算值更高，原因在于此前未被考虑的亚毫米波多余辐射，该多余辐射最适宜用10 K的冷尘成分来建模。
• 亚毫米波多余辐射主要出现在低金属丰度星系中，样本中52个星系中有9个需额外冷尘成分才能拟合其SED。
• 加入亚毫米波约束可显著收紧尘气质量比（D/G）与金属丰度之间的观测相关性，从而提高D/G作为金属丰度示踪指标的可靠性。
• 发现160/850 μm通量比与亚毫米波多余辐射的存在之间存在强相关性，表明该比值可作为冷尘辐射的诊断指标。
• 研究结果警示：在缺乏rest-frame亚毫米波观测的情况下，不应使用尘埃质量估算值，尤其在高红移及低金属丰度星系中，误差可能非常显著。