[论文解读] The spiral galaxy M33 mapped in the FIR by ISOPHOT: A spatially resolved study of the warm and cold dust

H. Hippelein, M. Haas+5 more|ArXiv.org|Jun 26, 2003

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 29被引用 55

一句话总结

本研究利用红外空间望远镜（ISO）ISOPHOT仪器获取的螺旋星系M33的空间分辨远红外（FIR）图象，将尘埃成分分离为温暖（45 K）和冷（17 K）两部分。结果表明，温暖尘埃由OB星加热，主要分布在恒星形成区；而冷尘埃分布更均匀，由弥散星际辐射场加热。局部射电-FIR相关性主要源于HII区中电子的局域约束，而非全局星系过程。

ABSTRACT

The Sc galaxy M33 has been mapped with ISOPHOT in the far-infrared, at 60, 100, and 170mue. The spatial resolution of these FIR maps allows the separation of spiral arms and interarm regions and the isolation of a large number of star-forming regions. The spectral energy distribution in the FIR indicates a superposition of two components, a warm one originating from dust at ~45K, and a cold one, at ~16K. The warm component is concentrated towards the spiral arms and the star-forming regions, and is likely heated by the UV radiation from OB stars. The cold component is more smoothly distributed over the disk, and heated by the diffuse interstellar radiation. For the about 60 star-forming regions detected the H-alpha/FIR flux ratio increases significantly with the distance from the galaxy center, probably due to decreasing extinction. An anti-correlation of F_Ha/F_60 with F_170 suggests the intrinsic extinction to be related to the cold dust surface brightness according to A_V/S_170~0.03mag/MJy*sr. For the total galaxy the star formation rate (SFR) derived from the FIR is in agreement with that derived from the de-extincted H-alpha emission. For individual star-forming regions, a consistency between SFRs derived from the optical and from the FIR requires only a fraction of the UV radiation to be absorbed locally. The individual star-forming regions also show a local radio-FIR correlation. This local correlation is, however, due to quite different components than to those that lead to the well-known global radio-FIR correlation for entire galaxies.

研究动机与目标

• 利用高分辨率FIR数据，分离螺旋星系中温暖和冷尘埃成分的空间分布。
• 通过对比光学和射电辐射的空间形态，研究尘埃成分的加热机制。
• 在考虑消光效应的前提下，评估基于FIR和Hα发射得到的恒星形成率之间的一致性。
• 探究恒星形成区中局部射电-FIR相关性的成因，并将其与星系整体的射电-FIR相关性区分开来。

提出的方法

• 使用红外空间望远镜（ISO）上的ISOPHOT仪器，以光栅扫描模式获取M33在60、100和170 µm波段的深空FIR图象。
• 通过天空背景减除和拼接技术，将部分北部和南部图象组合，覆盖整个盘面及背景区域。
• 对星系整体及各区域的光谱能量分布（SED）使用两个修正的普朗克函数（β ∝ λ⁻²）进行拟合，以分离温暖和冷尘埃成分。
• 利用Hα发射和射电数据交叉校准恒星形成率，并通过F_Hα/F_60通量比评估消光效应。
• 分析FIR、Hα和射电发射之间的空间相关性，以探究局部射电-FIR相关性的成因。
• 应用基于关系式A_V/S_170 ∼ 0.03 mag MJy⁻¹ sr的消光模型，量化恒星形成区中的尘埃消光。

实验结果

研究问题

• RQ1 M33中温暖和冷尘埃成分的空间分布如何？它们与光学和射电发射有何关联？
• RQ2 温暖和冷尘埃的加热机制有何不同？OB星和弥散星际辐射场分别起什么作用？
• RQ3 大质量恒星的紫外辐射在HII区中局部吸收的程度如何？这对FIR和Hα推导的恒星形成率一致性有何影响？
• RQ4 单个恒星形成区中局部射电-FIR相关性的成因是什么？它与星系整体射电-FIR相关性有何不同？
• RQ5 观测到的F_Hα/F_60比值与170 µm表面亮度有何关系？这对尘埃消光意味着什么？

主要发现

• M33的FIR发射由约45 K的温暖尘埃成分主导，集中在旋臂和HII区，主要由OB星的紫外辐射加热。
• 约17 K的冷尘埃成分在盘面中分布更平滑，由弥散星际辐射场加热。
• Hα/FIR通量比随星系中心距离增加而上升，表明外区消光减少，与消光关系A_V/S_170 ∼ 0.03 mag MJy⁻¹ sr一致。
• 全星系范围的FIR和去消光Hα发射推导的恒星形成率一致，支持FIR方法估算SFR的可靠性。
• 对于单个HII区，光学与FIR推导的SFR一致，表明仅有部分紫外辐射被局部吸收，暗示有显著辐射逃逸。
• 恒星形成区中存在局部射电-FIR相关性，但其主要源于超新星遗迹中相对论性电子的局域约束以及局部尘埃吸收，而非与全局射电-FIR相关性相同的机制。