[论文解读] Simulator of Galaxy Millimeter/Submillimeter Emission (SIGAME): The [CII]-SFR Relationship of Massive z=2 Main Sequence Galaxies

Karen P. Olsen, T. R. Greve+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2015

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 3

一句话总结

本文提出 SÍGAME，一种宇宙学模拟框架，通过使用亚网格物理模型解析多相星际介质（ISM），对质量大、红移 z=2 的主序列星系中的 [C II] 157.7 μm 辐射进行建模。结果表明，在高恒星形成率（SFR > 20 M⊙ yr⁻¹）时，[C II] 辐射主要由分子气体主导；在较低 SFR 时则主要由原子气体/PDR 气体主导。模拟得到的 [C II]-SFR 关系在不同红移下与观测结果一致。

ABSTRACT

We present SÍGAME simulations of the [CII]157.7$μ$ fine structure line emission from cosmological smoothed particle hydrodynamics (SPH) simulations of seven main sequence galaxies at z=2. Using sub-grid physics prescriptions the gas in our simulations is modeled as a multi-phased interstellar medium (ISM) comprised of molecular gas residing in giant molecular clouds, an atomic gas phase associated with photo-dissociation regions (PDRs) at the cloud surfaces, and a diffuse, ionized gas phase. Adopting logotropic cloud density profiles and accounting for heating by the local FUV radiation field and cosmic rays by scaling both with local star formation rate (SFR) volume density, we calculate the [CII] emission using a photon escape probability formalism. The [CII] emission peaks in the central $\lesssim$1 kpc of our galaxies as do the SFR radial profiles, with most [CII] ($\gtrsim$70%) originating in the molecular gas phase, whereas further out ($\gtrsim$2 kpc), the atomic/PDR gas dominates ($\gtrsim$90%) the [CII] emission, no longer tracing on-going star formation. Throughout, the ionized gas contribution is negligible ($\lesssim$3%). The [CII] luminosity vs. SFR ([CII]-SFR) relationship, integrated as well as spatially resolved (on scales of 1 kpc), delineated by our simulated galaxies is in good agreement with the corresponding relations observed locally and at high redshifts. In our simulations, the molecular gas dominates the [CII] budget at SFR$\gtrsim$20 M$_{\odot}$yr$^{-1}$ (SFR density $\gtrsim$0.5 M$_{\odot}$yr$^{-1}$kpc$^{-2}$), while atomic/PDR gas takes over at lower SFRs, suggesting a picture in which [CII] predominantly traces the molecular gas in high-density/pressure regions where star formation is on-going, and otherwise reveals the atomic/PDR gas phase.

研究动机与目标

• 理解大质量、高红移主序列星系中 [C II] 辐射的起源。
• 确定在不同恒星形成率下，主导 [C II] 辐射的 ISM 相态——分子相、原子/PDR 相或电离相。
• 检验观测到的 [C II]-SFR 关系是否可由物理上合理的 ISM 模型再现。
• 在模拟的高红移星系中，于 1 kpc 空间尺度上解析 [C II]-SFR 关系。
• 评估多相 ISM 结构及局部加热（FUV、宇宙射线）在塑造 [C II] 光度中的作用。

提出的方法

• 使用光滑粒子流体动力学（SPH）模拟七个 z=2 主序列星系，采用亚网格模型描述多相 ISM。
• 将 ISM 模型化为三相：巨分子云中的分子气体、云表面 PDR 区域的原子气体，以及弥散电离气体。
• 应用对数洛德云密度分布，并根据局部 SFR 体积密度缩放 FUV 和宇宙射线的加热。
• 使用光子逃逸概率形式化方法计算 [C II] 辐射，以考虑辐射转移效应。
• 在 1 kpc 空间尺度上解析 [C II] 辐射，并计算表面密度关系（Σ[CII]-ΣSFR）。
• 将模拟中的积分与解析 [C II]-SFR 关系与本地及高红移观测结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大质量 z=2 星系中，[C II] 辐射有多少比例源自分子气体，又有多少比例源自 PDR/原子气体？
• RQ2 在高红移星系中，[C II]-SFR 关系如何随 SFR 表面密度变化？
• RQ3 在这些模拟星系中，电离气体对 [C II] 辐射的贡献有多大？
• RQ4 模拟得到的 [C II]-SFR 关系是否与低红移和高红移的观测关系一致？
• RQ5 随着 SFR 降低，主导 [C II] 辐射的 ISM 相态如何变化？

主要发现

• 超过 70% 的 [C II] 辐射源自中心 1 kpc 内的分子气体区域，该区域 SFR 最高。
• 在半径超过 2 kpc 的区域，原子/PDR 气体相主导 [C II] 辐射，贡献超过 90% 的光度。
• 尽管电离气体是 ISM 中质量占比最高的组分，其对总 [C II] 光度的贡献仍小于 3%。
• 模拟得到的积分 [C II]-SFR 关系在斜率和归一化上均与低红移和高红移的观测关系一致。
• 解析的 Σ[CII]-ΣSFR 关系在 ΣSFR 范围内跨越六个数量级（10⁻⁵ 至 10 M⊙ yr⁻¹ kpc⁻²），在中等 SFR 密度区域（0.001–1 M⊙ yr⁻¹ kpc⁻²）表现出良好一致性。
• [C II] 光度在高 SFR 下与分子气体质量的关联最强，表明 [C II] 主要追踪致密、高压区域的恒星形成燃料。