[论文解读] The Herschel Dwarf Galaxy Survey: II. Physical conditions, origin of [CII] emission, and porosity of the multiphase low-metallicity ISM

D. Cormier, N. P. Abel+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2019

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 112被引用 28

一句话总结

本研究利用 Cloudy 光谱合成代码，对赫歇尔矮星系巡天中低金属度矮星系的多相星际介质（ISM）进行建模，以表征物理条件、[C II] 辐射来源及 ISM 孔隙度。结果表明，低金属度导致电离参数升高、PDR 覆盖因子增大以及 ISM 孔隙度增强——这些是促进离散电离光子逃逸的关键因素，且 [C II] 辐射主要源自 PDR（而非电离气体），使其成为低金属度及高红移星系中可靠的恒星形成率示踪剂。

ABSTRACT

The sensitive infrared telescopes, Spitzer and Herschel, have been used to target low-metallicity star-forming galaxies, allowing us to investigate the properties of their interstellar medium (ISM) in unprecedented detail. Interpretation of the observations in physical terms relies on careful modeling of those properties. We have employed a multiphase approach to model the ISM phases (HII region and photodissociation region) with the spectral synthesis code Cloudy. Our goal is to characterize the physical conditions (gas densities, radiation fields, etc.) in the ISM of the galaxies from the Herschel Dwarf Galaxy Survey. We are particularly interested in correlations between those physical conditions and metallicity or star-formation rate. Other key issues we have addressed are the contribution of different ISM phases to the total line emission, especially of the [CII]157um line, and the characterization of the porosity of the ISM. We find that the lower-metallicity galaxies of our sample tend to have higher ionization parameters and galaxies with higher specific star-formation rates have higher gas densities. The [CII] emission arises mainly from PDRs and the contribution from the ionized gas phases is small, typically less than 30% of the observed emission. We also find correlation - though with scatter - between metallicity and both the PDR covering factor and the fraction of [CII] from the ionized gas. Overall, the low metal abundances appear to be driving most of the changes in the ISM structure and conditions of these galaxies, and not the high specific star-formation rates. These results demonstrate in a quantitative way the increase of ISM porosity at low metallicity. Such porosity may be typical of galaxies in the young Universe.

研究动机与目标

• 表征赫歇尔矮星系巡天中低金属度矮星系 ISM 的物理条件（气体密度、电离参数、辐射场）。
• 确定电离气体与光解区（PDR）对 [C II] 157 µm 辐射的相对贡献。
• 探究金属度与单位恒星形成率（sSFR）在塑造 ISM 结构与孔隙度方面的作用。
• 量化 ISM 覆盖因子与孔隙度，探讨其对高红移星系中电离光子逃逸的影响。

提出的方法

• 采用光谱合成代码 Cloudy 对单个星系中的 H II 区与 PDR 进行建模。
• 利用观测到的 FIR 细结构线辐射通量（如 [C II]、[O III]、[N II]）作为约束，调节模型参数。
• 采用多相建模方法，结合可变电离参数与密度分布，以匹配观测到的 MIR-FIR 辐射。
• 改变关键输入参数（辐射场、尘气比、X 射线光度、宇宙射线速率）以评估模型敏感性。
• 利用辅助数据与先前研究对丰度与几何结构假设进行校准，以优化模型。
• 量化 PDR 覆盖因子与电离气体填充因子，以评估 ISM 孔隙度与光子逃逸潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 低金属度矮星系 ISM 的物理条件（密度、电离参数、辐射场）如何？
• RQ2 主导 [C II] 157 µm 辐射的 ISM 相位是电离气体还是 PDR？
• RQ3 金属度与单位恒星形成率如何与 ISM 孔隙度及覆盖因子相关？
• RQ4 相较于高 sSFR 的影响，低金属度在多大程度上驱动 ISM 的结构与物理特性变化？
• RQ5 标准模型能否再现观测到的 [O I] 145/63 线比？若不能，是否需要额外的加热机制？

主要发现

• 低金属度星系表现出更高的电离参数（log(U) ≈ −3.0 至 −0.3）与更高的 PDR 密度（ne ≈ 10^0.5 至 10^3.0 cm⁻³），高于金属丰度较高的星系。
• 电离气体对 [C II] 辐射的贡献通常低于 30%，证实 [C II] 在低金属度环境中主要为 PDR 示踪剂。
• 金属度降低与 PDR 覆盖因子相对于电离气体的减小之间存在明确相关性，表明 ISM 孔隙度增加。
• PDR 覆盖因子随金属度降低与 TIR 与 FUV 光度比降低而减小，表明 ISM 结构演化受金属度驱动。
• 电离参数对辐射场库的选择最为敏感，而尘气比与密度分布则影响 PDR 密度估计。
• 在部分星系中，需引入低光度软 X 射线成分与/或提高宇宙射线速率，才能再现观测到的 [O I] 145/63 线比。