[论文解读] The Lyman Alpha Reference Sample XI: Efficient Turbulence Driven Ly{\alpha} Escape and the Analysis of IR, CO and [C II]158 {\mu}m

Johannes Puschnig, Matthew Hayes+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2020

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 199被引用 4

一句话总结

本研究利用多波段观测，调查了来自莱曼α参考样本的14个本地星暴星系中莱曼α逃逸机制。研究发现，星际介质中的湍流驱动了高效的莱曼α逃逸，莱曼α逃逸分数与总气体耗尽时间之间存在强烈的线性相关性，同时在非AGN星系中首次观测到最极端的[C II]158µm与FIR亮度比（LARS 5）。

ABSTRACT

We study the global dust and (molecular) gas content in the Lyman Alpha Reference Sample (LARS), i.e. 14 local star-forming galaxies. We characterize their interstellar medium and relate newly derived properties to quantities relevant for Ly$\alpha$ escape. We observed LARS galaxies with Herschel/PACS, SOFIA/FIFI-LS, the IRAM 30m telescope and APEX, targeting far-infrared (FIR) continuum and emission lines of [C II]158$\mu$m, [O I]63$\mu$m, [O III]88$\mu$m and low-J CO lines. Using Bayesian methods we derive dust model parameters and estimate total gas masses for all LARS galaxies, taking into account a metallicity-dependent gas-to-dust ratio. Star formation rates were estimated from FIR, [C II]158$\mu$m and [O I]63$\mu$m luminosities. LARS covers a wide dynamic range in the derived properties, with FIR-based star formation rates from $\sim$0.5-100 $M_{\odot}\ yr^{-1}$, gas fractions between $\sim$15-80% and gas depletion times ranging from a few hundred Myr up to more than 10 Gyr. The distribution of LARS galaxies in the $\Sigma_{gas}$ vs. $\Sigma_{SFR}$ (Kennicutt-Schmidt plane) is thus quite heterogeneous. However, we find that LARS galaxies with the longest gas depletion times, i.e. relatively high gas surface densities ($\Sigma_{gas}$) and low star formation rate densities ($\Sigma_{SFR}$), have by far the highest Ly$\alpha$ escape fraction. A strong $\sim$linear relation is found between Ly$\alpha$ escape fraction and the total gas (HI+H$_2$) depletion time. We argue that the Ly$\alpha$ escape in those galaxies is driven by turbulence in the star-forming gas that shifts the Ly$\alpha$ photons out of resonance close to the places where they originate. We further report on an extreme [C II]158$\mu$m excess in LARS 5, corresponding to $\sim$14$\pm$3% of the FIR luminosity, i.e. the most extreme [C II]-to-FIR ratio observed in a non-AGN galaxy to date.

研究动机与目标

• 理解控制星暴星系中莱曼α光子逃逸的物理机制，特别是湍流的作用。
• 通过测量尘埃含量、分子气体以及光子主导区（PDRs）中的气体，表征LARS星系的星际介质。
• 将整体气体与恒星形成性质与莱曼α逃逸分数相关联，识别逃逸效率的关键驱动因素。
• 研究LARS 5中极端[C II]158µm发射的起源及其与喷流和辐射过程的关联。

提出的方法

• 利用赫歇尔/PACS、SOFIA/FIFI-LS、IRAM 30m和APEX进行远红外与亚毫米波观测，探测[C II]158µm、[O I]63µm、[O III]88µm以及低阶CO线。
• 应用贝叶斯拟合方法对Draine & Li (2007)的尘埃发射模型进行拟合，推导出尘埃与气体性质，包括金属度依赖的气尘比。
• 利用经验校准方法，基于FIR、[C II]158µm和[O I]63µm的光度计算恒星形成率。
• 通过谱谱能分布拟合与线光度，推导出总气体质量（HI + H₂）与气体耗尽时间。
• 分析空间分辨的运动学与线位移，将LARS 5中[C II]158µm的过量与喷流关联。
• 绘制气体面密度（Σgas）与恒星形成率面密度（ΣSFR）的分布，以检验Kennicutt-Schmidt标度关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 湍流在增强星暴星系中莱曼α逃逸分数方面起什么作用？
• RQ2 在LARS样本中，气体耗尽 timescale 与莱曼α逃逸分数之间如何相关？
• RQ3 LARS 5中观测到的极端[C II]158µm与FIR光度比由何引起？
• RQ4 尘埃含量、金属度与气体几何结构如何影响这些星系中莱曼α辐射转移？
• RQ5 [C II]158µm与[O I]63µm光度在低金属度系统中作为恒星形成率指标的可靠性如何？

主要发现

• 发现莱曼α逃逸分数与总气体（HI+H₂）耗尽时间之间存在强烈的线性相关性，耗尽时间越长的星系，其逃逸分数显著越高。
• LARS星系表现出恒星形成率（0.5–100 M⊙ yr⁻¹）、气体分数（15–80%）与气体耗尽时间（数亿年至超过10 Gyr）的广泛动态范围。
• LARS 5拥有在非AGN星系中观测到的最极端的[C II]158µm与FIR光度比，达到FIR光度的∼14±3%。
• LARS 5中的[C II]158µm线相对于系统红移呈现蓝移，表明存在强烈的外流成分，可能驱动了增强的线发射。
• 气体面密度高而恒星形成率面密度低（即气体耗尽时间长）的星系表现出最高的莱曼α逃逸分数。
• 星暴区域中的湍流被提出为莱曼α光子脱离共振的主要机制，使光子即使在共振散射下仍能逃逸。