[论文解读] The distribution of the ISM in the Milky Way A three-dimensional large-scale model

A. Misiriotis, E. M. Xilouris+3 more|ArXiv.org|Jul 28, 2006

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 33被引用 68

一句话总结

本研究提出了一种简单、三维、轴对称的银河系星际介质辐射转移模型，利用COBE/DIRBE和FIRAS数据约束尘埃、恒星和气体的空间分布。该模型成功再现了远红外和近红外图象，推导出与外部螺旋星系一致的银河系Schmidt定律，并与观测到的造父变星消光数据表现出极好的一致性，验证了该模型在大尺度上尘埃分布的可靠性，尽管其几何结构较为简化。

ABSTRACT

We use the COBE/DIRBE (1.2, 2.2, 60, 100, 140, and 240 $μ$m) maps and the COBE/FIRAS spectra (for the wavelength range 100 - 1000 $μ$m) to constrain a model for the spatial distribution of the dust, the stars, and the gas in the Milky Way. By assuming exponential axisymmetric distributions for the dust and the stars and by performing the corresponding radiative transfer calculations we closely (given the simple geometry of the model) reproduce the FIR and NIR maps of the Milky Way. Similar distributions for the atomic and molecular hydrogen in the disk are used (with an inner cut-off radius for the atomic hydrogen) to fit the gas data. The star formation rate as a function of the Galactic radius is derived from the FIR emission and is well in agreement with existing estimates from various star formation tracers. The gas surface density is plotted against the star formation rate density and an ``intrinsic'' Galactic Schmidt law is derived with excellent agreement with the ``external'' Schmidt law found for spiral galaxies. The Milky Way is found to consume $\sim 1%$ and $\sim 10%$ of its gas in the outer and inner regions respectively (for a period of 0.1 Gyr) to make stars. The dust-induced B-V color excess observed in various directions and distances (up to $\sim 6.5$ kpc) with well-studied Cepheid stars is compared with the model predictions showing a good agreement. The simple assumption of exponential distributions of stars and dust in the Galaxy is found to be quite instructive and adequate in modeling all the available data sets from 0.45 $μ$m (B-band) to 1000 $μ$m.

研究动机与目标

• 开发一种参数最少的银河系星际介质（ISM）三维模型，能够一致拟合从光学到亚毫米波段的多波段观测数据。
• 利用COBE/DIRBE和FIRAS数据约束尘埃、恒星以及气体（原子氢和分子氢）的空间分布。
• 推导星形成率（SFR）随银心半径的变化关系，并与独立的星形成示踪剂进行比较，以验证模型的可靠性。
• 检验模型再现造父变星方向B-V色指数超量（color excess）的能力，评估其在预测尘埃消光方面的准确性。
• 探究银河系是否遵循与外部螺旋星系观测到的相同气体-星形成率关系（即Schmidt定律），以建立潜在的普遍标度关系。

提出的方法

• 假设尘埃和恒星在银河系盘面中呈指数分布且具有轴对称性，尺度长度和截面高度为自由参数，由数据约束。
• 执行辐射转移计算，以覆盖全波长范围（0.45–1000 µm）的恒星光消光和尘埃发射，包括散射和吸收效应。
• 利用COBE/DIRBE在1.2、2.2、60、100、140和240 µm波段的图象，拟合模型以匹配观测到的FIR和NIR表面亮度分布。
• 结合COBE/FIRAS光谱（100–1000 µm）以约束银河系的全局谱能分布（SED），并验证模型预测。
• 利用21 cm（HI）和CO（H2）发射图象建模气体分布，对原子氢应用内截断半径以匹配观测到的径向分布。
• 从FIR发射推导星形成率（SFR）密度，假设尘埃再辐射能反映近期的星形成活动，并与外部示踪剂进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个参数最少、轴对称的三维辐射转移模型，是否能成功再现银河系观测到的FIR和NIR发射图象？
• RQ2 银河系盘面中尘埃与恒星的相对尺度长度和截面高度是多少？与现有观测结果相比如何？
• RQ3 由FIR发射推导出的星形成率（SFR）密度随银心半径的变化是否与银河系中独立的星形成示踪剂一致？
• RQ4 观测到的SFR面密度与气体面密度之间的关系是否与外部螺旋星系中观测到的普遍Schmidt定律一致？
• RQ5 该模型在多大程度上能准确预测造父变星方向的B-V色指数超量？这对我们理解ISM的团块性有何启示？

主要发现

• 该模型以高度一致性成功再现了COBE/DIRBE的FIR和NIR图象，验证了对尘埃和恒星采用指数分布的合理性。
• 尘埃的尺度长度约为恒星的两倍（1.2 µm波段恒星为2.5 kpc，尘埃约为5 kpc），恒星与尘埃的截面高度比约为1.7。
• 由FIR发射推导出的星形成率（SFR）密度与独立的SFR示踪剂高度一致，证实了模型的可靠性。
• SFR面密度与气体面密度的关系所导出的Schmidt定律与外部螺旋星系中发现的“外部”Schmidt定律几乎完全相同，表明存在普遍的气体-SFR关系。
• 银河系在内区每0.1 Gyr消耗约10%的气体，外区仅约1%，表明星形成效率存在强烈的径向下降趋势。
• 模型预测的造父变星B-V色指数超量与观测值高度相关，数据点对称分布在对角线两侧，证实了即使在假设ISM均匀的前提下，该模型在预测尘埃消光方面仍具有极高准确性。