[论文解读] Subarcsecond international LOFAR radio images of Arp 220 at 150 MHz: A kpc-scale star forming disk surrounding nuclei with shocked outflows

E. Varenius, J. E. Conway+17 more|Data Archiving and Networked Services (DANS)|Jul 10, 2016

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 57被引用 22

一句话总结

本研究利用亚角秒分辨率的LOFAR图像在150 MHz波段揭示了Arp 220的kpc尺度星形成盘和从核区延伸至330 pc的激波外流。数据表明，超过80%的流量源自陡谱、扩展的发射，可能来自星形成活动，且热辐射成分比例极低（<1%），表明存在强烈的尘埃吸收；结果证实Arp 220遵循FIR/射电相关性，q值为2.36，星形成速率为220 M☉ yr⁻¹。

ABSTRACT

We analyse new observations with the International Low Frequency Array (LOFAR) telescope, and archival data from the Multi-Element Radio Linked Interferometer Network (MERLIN) and the Karl G. Jansky Very Large Array (VLA). We model the spatially resolved radio spectrum of Arp 220 from 150 MHz to 33 GHz. We present an image of Arp 220 at 150 MHz with resolution $0.65'' imes0.35''$, sensitivity 0.15 mJy beam$^{-1}$, and integrated flux density $394\pm59$ mJy. More than 80% of the detected flux comes from extended ($6''\approx$2.2 kpc) steep spectrum ($α=-0.7$) emission, likely from star formation in the molecular disk surrounding the two nuclei. We find elongated features extending $0.3''$ (110 pc) and $0.9''$ (330 pc) from the eastern and western nucleus respectively, which we interpret as evidence for outflows. The extent of radio emission requires acceleration of cosmic rays far outside the nuclei. We find that a simple three component model can explain most of the observed radio spectrum of the galaxy. When accounting for absorption at 1.4 GHz, Arp 220 follows the FIR/radio correlation with $q=2.36$, and we estimate a star formation rate of 220 M$_\odot ext{yr}^{-1}$. We derive thermal fractions at 1 GHz of less than 1% for the nuclei, which indicates that a major part of the UV-photons are absorbed by dust. International LOFAR observations shows great promise to detect steep spectrum outflows and probe regions of thermal absorption. However, in LIRGs the emission detected at 150 MHz does not necessarily come from the main regions of star formation. This implies that high spatial resolution is crucial for accurate estimates of star formation rates for such galaxies at 150 MHz.

研究动机与目标

• 在MHz频段以高角分辨率解析Arp 220的射电结构，此前观测因灵敏度和分辨率不足而受限。
• 确定150 MHz波段射电发射的起源，区分热辐射与非热辐射成分，并识别星形成与外流的贡献。
• 检验Arp 220是否遵循FIR/射电相关性，并利用多频射电数据估算其星形成速率。
• 评估未分辨150 MHz观测在推导明亮红外星系（LIRGs）星形成速率时的可靠性。

提出的方法

• 利用国际LOFAR望远镜获取新的150 MHz观测，达到0.65'' × 0.35''的角分辨率和0.15 mJy beam⁻¹的灵敏度。
• 将LOFAR数据与覆盖150 MHz至33 GHz的档案VLA和MERLIN观测数据结合，以建模完整的谱能分布。
• 构建三组分模型：两个热辐射被吸收的核区盘和一个周围均匀、光学薄的同步辐射发射区，以拟合观测谱。
• 在1.4 GHz处考虑自由-自由吸收效应，以准确推导热辐射成分比例，并在谱建模中校正光学厚度影响。
• 利用FIR/射电相关性（q参数）估算总星形成速率，对吸收和扩展发射进行修正。
• 通过比较射电发射的空间分布与CO(1-0)及X射线超新星风结构，评估宇宙射线加速在外流中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 Arp 220在150 MHz波段的射电发射空间结构与谱型为何？与高频观测相比有何异同？
• RQ2 150 MHz波段的主导射电发射源自核区附近还是扩展的分子盘？
• RQ3 1 GHz波段的热辐射成分比例是多少？这对其电离光子被尘埃吸收的含义是什么？
• RQ4 Arp 220是否遵循FIR/射电相关性？在考虑吸收和扩展发射后，其估算的星形成速率是多少？
• RQ5 核区外流及超新星风基底对1 GHz以下频率的射电发射贡献有多大？

主要发现

• LOFAR在150 MHz的图像角分辨率为0.65'' × 0.35''，灵敏度为0.15 mJy beam⁻¹，积分流量密度为394 ± 59 mJy。
• 超过80%的150 MHz流量源自2.2 kpc区域内的扩展、陡谱（α = -0.7）发射，与分子盘中的星形成活动一致。
• 从东、西核区延伸出的拉长射电结构分别达0.3''（110 pc）和0.9''（330 pc），被解释为激波外流的证据。
• 1 GHz波段的热辐射成分比例分别为：东核0.8%，西核0.4%，表明电离光子受到强烈的尘埃吸收。
• Arp 220遵循FIR/射电相关性，q = 2.36，经吸收和扩展发射修正后，总星形成速率为220 M☉ yr⁻¹。
• 模型在200 MHz至1 GHz之间低估了流量，表明核区未分辨外流发射在这些频率下起着重要作用。