[论文解读] The Herschel Dwarf Galaxy Survey: I. Properties of the low-metallicity ISM from PACS spectroscopy

D. Cormier, S. C. Madden+18 more|CaltechAUTHORS (California Institute of Technology)|Feb 10, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 95被引用 87

一句话总结

本研究利用赫歇尔望远镜PACS光谱仪对48个低金属丰度矮星系的远红外细结构线进行分析，揭示其星际介质（ISM）具有高度多孔的结构，致密气体填充因子低，弥散气体体积填充因子高。关键发现为：[C ii]、[O i]和[O iii]线与总红外 luminosity（L_TIR）的比值增强，这是由中等强度的FUV辐射场和较低的PDR覆盖因子驱动的，表明UV光子可轻易逃逸，即ISM具有‘漏斗状’特性，与金属丰度较高的星系不同。

ABSTRACT

The far-infrared (FIR) lines are key tracers of the physical conditions of the interstellar medium (ISM) and are becoming workhorse diagnostics for galaxies throughout the universe. Our goal is to explain the differences and trends observed in the FIR line emission of dwarf galaxies compared to more metal-rich galaxies. We present Herschel PACS spectroscopic observations of the CII157um, OI63 and 145um, OIII88um, NII122 and 205um, and NIII57um fine-structure cooling lines in a sample of 48 low-metallicity star-forming galaxies of the guaranteed time key program Dwarf Galaxy Survey. We correlate PACS line ratios and line-to-LTIR ratios with LTIR, LTIR/LB, metallicity, and FIR color, and interpret the observed trends in terms of ISM conditions and phase filling factors with Cloudy radiative transfer models. We find that the FIR lines together account for up to 3 percent of LTIR and that star-forming regions dominate the overall emission in dwarf galaxies. Compared to metal-rich galaxies, the ratios of OIII/NII122 and NIII/NII122 are high, indicative of hard radiation fields. In the photodissociation region (PDR), the CII/OI63 ratio is slightly higher than in metal-rich galaxies, with a small increase with metallicity, and the OI145/OI63 ratio is generally lower than 0.1, demonstrating that optical depth effects should be small on the scales probed. The OIII/OI63 ratio can be used as an indicator of the ionized gas/PDR filling factor, and is found ~4 times higher in the dwarfs than in metal-rich galaxies. The high CII/LTIR, OI/LTIR, and OIII/LTIR ratios, which decrease with increasing LTIR and LTIR/LB, are interpreted as a combination of moderate FUV fields and low PDR covering factor. Harboring compact phases of low filling factor and a large volume filling factor of diffuse gas, the ISM of low-metallicity dwarf galaxies has a more porous structure than that in metal-rich galaxies.

研究动机与目标

• 理解低金属丰度矮星系中星际介质（ISM）的物理条件与金属丰度较高星系的差异。
• 研究远红外细结构线作为恒星形成区ISM加热、冷却及相结构示踪器的作用。
• 确定金属丰度如何影响关键冷却线（如[C ii] 157 μm、[O i] 63/145 μm和[O iii] 88 μm）的激发、填充因子及光度比。
• 评估[O iii]/[O i]和[O iii]/[N ii]等线比是否可作为辐射场硬度和电离气体填充因子的可靠指标，且不受丰度变化影响。
• 利用Cloudy辐射转移模拟模型，推断低金属丰度环境中ISM的结构与物理特性。

提出的方法

• 从赫歇尔矮星系巡天中获取48个低金属丰度矮星系的PACS光谱观测数据，测量远红外细结构线：[C ii] 157 μm、[O i] 63和145 μm、[O iii] 88 μm、[N ii] 122和205 μm，以及[N iii] 57 μm。
• 计算线与总红外光度比（L_line / L_TIR）及线比（如[O iii]/[O i]、[C ii]/[N ii]），以探究ISM状态与激发机制。
• 将观测到的线比与L_TIR、L_TIR/L_B、金属丰度及FIR颜色相关联，识别与ISM结构和辐射场特性相关的趋势。
• 使用Cloudy辐射转移模型模拟PDR和电离气体条件，变化参数包括FUV场强度（G₀）、气体密度（n_H）及相态填充因子。
• 将模型预测与观测线比对比，推断光致分解区（PDR）和电离气体相的覆盖因子。
• 通过比较[N ii]/[C ii]线比并结合电离结构模型，评估电离气体对[C ii]发射的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 低金属丰度矮星系中远红外线的光度及其与TIR的线比，与金属丰度较高的星系相比有何不同？
• RQ2 这些矮星系中[O iii] 88 μm和[N iii] 57 μm线相对于[N ii]线为何显著增强？这对电离辐射场意味着什么？
• RQ3 线比如[C ii]/[O i]和[O iii]/[O i]在多大程度上反映了低金属丰度ISM中PDR和电离气体的填充因子？
• RQ4 ISM结构——特别是致密气体与弥散气体的填充因子——如何影响远红外线发射及矮星系的整体能量平衡？
• RQ5 [O iii]/[O i]能否作为低金属丰度环境中电离气体/PDR填充因子的稳健、与丰度无关的指标？

主要发现

• 远红外线总光度占总红外光度（L_TIR）的最高达3%，其中[O iii] 88 μm平均最亮，亮度约为[C ii] 157 μm的两倍。
• [C ii]/L_TIR比值在0.04%至0.7%之间，[C ii] + [O i] / L_TIR之和在0.2%至1.0%之间，表明其气体冷却效率高于金属丰度较高的星系。
• [O iii]/[N ii] 122比值在矮星系中比金属丰度较高的星系高4倍，表明辐射场更硬且电离参数更高。
• [O iii]/[O i] 63比值是电离气体/PDR填充因子的稳健指标，在矮星系中约高4倍，表明电离气体的体积填充因子更大。
• [C ii]/[N ii] 122比值较低（通常<15%），表明电离气体对[C ii]发射的贡献微小，证实[C ii]是可靠的PDR示踪剂。
• 辐射转移建模表明，观测到的线比最符合中等强度FUV场与致密PDR气体覆盖因子低的组合，导致ISM呈现多孔结构，且弥散气体体积填充因子较高。