[论文解读] The Herschel Virgo Cluster Survey. IX. Dust-to-gas mass ratio and metallicity gradients in four Virgo spiral galaxies

L. Magrini, S. Bianchi+21 more|UWA Profiles and Research Repository (University of Western Australia)|Jun 3, 2011

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 1被引用 48

一句话总结

本研究利用赫歇尔PACS和SPIRE测光数据、HI和CO气体图、以及电离氢区的氧丰度，调查了室女座星系团中四颗晚型旋涡星系（NGC4254、NGC4303、NGC4321、NGC4501）的径向尘埃-气体质量比和金属度梯度。研究发现，仅当使用与金属度相关的CO-H₂转换因子（X_CO）时，尘埃-气体比梯度才与氧丰度梯度一致，X_CO值为银河系X_CO的0.1–0.9倍，尤其在以分子气体为主的内区，表明这些星系中X_CO与金属度呈超线性或线性依赖关系。

ABSTRACT

Using Herschel data from the Open Time Key Project the Herschel Virgo Cluster Survey (HeViCS), we investigated the relationship between the metallicity gradients expressed by metal abundances in the gas phase as traced by the chemical composition of HII regions, and in the solid phase, as traced by the dust-to-gas mass ratio. We derived the radial gradient of the dust-to-gas mass ratio for all galaxies observed by HeViCS whose metallicity gradients are available in the literature. They are all late type Sbc galaxies, namely NGC4254, NGC4303, NGC4321, and NGC4501. We examined different dependencies on metallicity of the CO-to-H$_2$ conversion factor (\xco), used to transform the $^{12}$CO observations into the amount of molecular hydrogen. We found that in these galaxies the dust-to-gas mass ratio radial profile is extremely sensitive to choice of the \xco\ value, since the molecular gas is the dominant component in the inner parts. We found that for three galaxies of our sample, namely NGC4254, NGC4321, and NGC4501, the slopes of the oxygen and of the dust-to-gas radial gradients agree up to $\sim$0.6-0.7R$_{25}$ using \xco\ values in the range 1/3-1/2 Galactic \xco. For NGC4303 a lower value of \xco$\sim0.1 imes$ 10$^{20}$ is necessary. We suggest that such low \xco\ values might be due to a metallicity dependence of \xco (from close to linear for NGC4254, NGC4321, and NGC4501 to superlinear for NGC4303), especially in the radial regions R$_G

研究动机与目标

• 调查室女座星系团旋涡星系中尘埃-气体质量比与气相金属度（氧丰度）之间的径向相关性。
• 评估CO-H₂转换因子（X_CO）对推导出的尘埃-气体比及其径向梯度的影响。
• 检验是否需要采用与金属度相关的X_CO，以调和星系团中尘埃-气体比与氧丰度梯度的一致性。
• 约束具有扰动形态和不同金属度的星系中X_CO的取值，特别是在以分子气体为主导的区域。
• 通过将文献中的氧丰度统一到KK04标度并以银河系X_CO作为下限，评估金属度梯度测量的稳健性。

提出的方法

• 使用单温度修正黑体拟合赫歇尔PACS和SPIRE测光数据，以推导出尘埃质量面密度图。
• 将HI速度-1图与CO线数据结合，以推导总气体质量，采用不同X_CO值将CO发射转换为H₂质量。
• 从推导出的图中提取尘埃、原子气体（HI）和分子气体（H₂）的径向剖面，使用HI运动学的几何参数。
• 将尘埃-气体质量比的径向梯度与文献中来自电离氢区的氧丰度梯度进行比较，并统一校准至KK04标度以保持一致性。
• 测试三种X_CO依赖关系：恒定、X_CO ∝ Z⁻¹（线性）和X_CO ∝ Z⁻².⁵（超线性），以匹配观测到的尘埃-气体比与O/H梯度。
• 使用银河系X_CO作为氧丰度零点的下限，以减少梯度比较中的不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在使用标准X_CO值时，室女座星系旋涡星系中尘埃-气体质量比与气相氧丰度的径向梯度是否一致？
• RQ2 若假设氧丰度梯度正确，为重现观测到的尘埃-气体质量比梯度，需要多大的X_CO值？
• RQ3 在这些星系团星系中，是否存在X_CO与金属度相关的证据，特别是在以分子气体为主导的区域？
• RQ4 X_CO的不确定性如何影响内盘与外盘区域推导出的尘埃-气体比？
• RQ5 观测到的尘埃-气体比与氧丰度梯度的一致性是否可由非银河系X_CO解释？如果是，哪种函数形式最符合数据？

主要发现

• 对于NGC4254、NGC4321和NGC4501，当使用0.5–0.9倍银河系X_CO值时，尘埃-气体质量比与氧丰度梯度在约0.6–0.7 R25范围内一致。
• NGC4303需要极低的X_CO值（约0.1倍银河系X_CO）才能匹配观测梯度，表明存在强烈的金属度依赖性。
• NGC4254的数据最符合线性X_CO-金属度依赖关系（X_CO ∝ Z⁻¹），而NGC4303则需要超线性依赖关系（X_CO ∝ Z⁻².⁵）。
• 对于NGC4501和NGC4321，需采用介于银河系X_CO值与线性依赖关系之间的X_CO值，才能匹配梯度。
• 内盘区域（R < 0.6–0.7 R25）以分子气体为主导，对X_CO的选择最为敏感，而以外原子气体为主的外区受影响较小，无法有效约束X_CO。
• 本研究支持室女座星系团旋涡星系中存在金属度依赖的X_CO，特别是在分子气体主导的径向区域，强调需要更大样本以确认此趋势。