[论文解读] The Lyman alpha Reference Sample VI: Lyman alpha escape from the edge-on disk galaxy Mrk1486

Florent Duval, Göran Östlin+17 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2015

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 89被引用 15

一句话总结

本研究利用哈勃空间望远镜（HST）成像与光谱观测，结合三维蒙特卡罗辐射转移模拟，探究了侧向星暴星系Mrk1486中莱曼阿尔法（Lyα）辐射逃逸机制。研究发现，Lyα光子通过中性氢的双极喷流状星周晕中的多次散射实现高效逃逸，挑战了传统观点中认为侧向星系由于视线方向效应应抑制Lyα发射的假设。

ABSTRACT

While numerical simulations suggest that the strength of the Lyman alpha (Lya) line of star-forming disk galaxies strongly depends on the inclination at which they are observed (i.e. from edge-on to face-on, we expect to see a change from an attenuated Lya line to a strong Lya emission line), recent observations with the Hubble space telescope (HST) have highlighted few low-redshift highly inclined (edge-on) disk galaxies that breaks this trend. We aim to understand how a strong Lya emission line is able to escape from one of those inclined disk galaxies, named Mrk1486 (z=0.0338). For that purpose we used a large set of HST imaging and spectroscopic data to investigate both the ISM structure and the dominant source of Lya radiation inside Mrk1486. Moreover, we used a 3D Monte Carlo Lya radiation transfer code to study the radiative transfer of Lya and UV continuum photons inside a 3D geometry of neutral hydrogen (HI) and dust that models the ISM structure at the galaxy center. The analysis of IFU Halpha spectroscopic data of Mrk1486 indicates the presence of two bipolar galactic winds of HI gas above and bellow the disk plane of Mrk1486. Furthermore, comparing different diagnostic diagrams (such as [OIII]5007/Hbeta versus [OI]6300/Halpha) to photo- and shock-ionization models, we find that the Lya production of Mrk1486 is dominated by photoionization inside the galaxy disk. From this perspective, our numerical simulations succeed in reproducing the strength and spectral shape of the observed Lya line of Mrk1486 by assuming a scenario in which the Lya photons are produced inside the disk, travel along the galactic winds and scatter on cool HI materials toward the observer. As bipolar galactic winds are ubiquitous in star-forming disk galaxies, this mechanism may explain the origin of strong Lya emission lines recently observed from highly inclined galaxies at high-redshift.

研究动机与目标

• 理解像Mrk1486这样的侧向盘状星系为何能逃逸出强Lyα发射，尽管其视线几何结构预期会导致强烈消光。
• 确定星系中心区域Lyα产生过程中的主要电离机制。
• 通过星系星际介质（ISM）和喷流星周晕中的三维辐射转移建模，模拟Lyα与紫外光子的传播。
• 评估星系喷流是否能解释高度倾斜系统中观测到的Lyα线轮廓与发射强度。
• 检验视线方向效应在星暴盘状星系Lyα特性中的稳健性。

提出的方法

• 获取高分辨率HST/COS光谱与成像，以绘制Lyα与Hα发射分布，并研究Mrk1486的ISM结构。
• 利用积分场单元（IFU）光谱观测，探测与盘面之上和之下明亮Lyα结构相重合的双极HI喷流。
• 应用诊断发射线比值（[OIII]/Hβ、[OI]/Hα、[NII]/Hα、[SII]/Hα）以区分光致电离与激波电离作为Lyα主要来源。
• 采用三维蒙特卡罗辐射转移代码MCLya，模拟中性氢与尘埃在星系中心区域三维几何结构中的Lyα与紫外连续谱传输。
• 通过将模拟Lyα轮廓与HST/COS观测光谱拟合，约束喷流星周晕的物理参数（速度、HI柱密度、尘埃消光、温度）。
• 利用SiII线轮廓评估ISM的团块性，结果显示盘面中中性气体团块的总覆盖率为100%。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何侧向盘状星系Mrk1486尽管倾角很高（应因共振散射而抑制Lyα逃逸），仍表现出强Lyα发射？
• RQ2 Mrk1486中心区域产生Lyα光子的主要电离机制是什么？
• RQ3 中性氢喷流星周晕如何影响侧向星系中Lyα光子的逃逸与轮廓特征？
• RQ4 三维辐射转移模拟能否在采用真实ISM与喷流几何结构的前提下，重现Mrk1486的观测Lyα线轮廓？
• RQ5 星系喷流在多大程度上缓解了盘状星系中预期的视线方向抑制效应？

主要发现

• Mrk1486表现出强Lyα发射线，其本征等效宽度为80 Å，与基于SED拟合得到的3.02 ± 0.20 Myr星暴年龄一致。
• Lyα线轮廓最符合三维辐射转移模型的预测，该模型假设Lyα光子在盘面产生，并通过双极喷流状HI星周晕中的多次散射逃逸。
• 盘面上下两侧的两个明亮Lyα区域与分别以180 km s⁻¹和100 km s⁻¹速度运动的HI喷流在空间上重合。
• 喷流星周晕具有较高的HI柱密度（3–4 × 10¹⁹ cm⁻²），表明总裹挟的HI质量约为10⁵ M⊙，温度约为30,000 K。
• 星系盘面中的ISM高度团块化，SiII线轮廓揭示中性气体团块的总覆盖率为100%。
• 本研究挑战了传统的视线方向效应，表明侧向星系中的双极喷流可实现强Lyα逃逸，从而解释了高红移观测中强Lyα发射体的检测。