[论文解读] VLT-VIMOS integral field spectroscopy of luminous and ultraluminous infrared galaxies II. Evidence for shock ionization caused by tidal forces in the extra-nuclear regions of interacting and merging LIRGs

A. Monreal‐Ibero, Santiago Arribas+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2010

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 83被引用 69

一句话总结

本研究利用甚大望远镜-VIMOS积分场光谱仪对32个明亮及超亮红外星系（LIRGs）的核外区域电离机制进行分析。结果表明，相互作用过程中的潮汐力驱动了激波电离，表现为随着相互作用阶段的推进，[S ii]/Hα 和 [O i]/Hα 线比值以及速度弥散度持续增加，且该现象与红外 luminosity 或恒星形成率无关。

ABSTRACT

LIRGs are an important class of objects in the low-z universe bridging the gap between normal spirals and the strongly interacting and starbursting ULIRGs. Studies of their 2D physical properties are still lacking. We aim to understand the nature and origin of the ionization mechanisms operating in the extranuclear regions of LIRGs as a function of the interaction phase and L_IR by using IFS data obtained with VIMOS. Our analysis is based on over 25300 spectra of 32 LIRGs covering all types of morphologies and the entire 10^11-10^12 L_sun range. We found strong evidence for shock ionization, with a clear trend with the dynamical status of the system. Specifically, we quantified the variation with interaction phase of several line ratios indicative of the excitation degree. While the [NII]/Ha ratio does not show any significant change, the [SII]/Ha and [OI]/Ha ratios are higher for more advanced interaction stages. We constrained the main mechanisms causing the ionization in the extra-nuclear regions using diagnostic diagrams. Isolated systems are mainly consistent with ionization caused by young stars. Large fractions of the extra-nuclear regions in interacting pairs and more advanced mergers are consistent with ionization caused by shocks. This is supported by the relation between the excitation degree and the velocity dispersion of the ionized gas, which we interpret as evidence for shock ionization in interacting galaxies and advanced mergers but not in isolated galaxies. This relation does not show any dependence with L_IR. All this indicates that tidal forces play a key role in the origin of the ionizing shocks in the extra-nuclear regions. We also showed what appears to be a common [OI]/Ha-sigma relation for the extranuclear ionized gas in interacting (U)LIRGs. This needs to be investigated further with a larger sample of ULIRGs.

研究动机与目标

• 理解不同相互作用阶段下 LIRGs 核外区域电离机制的起源与性质。
• 确定这些区域中恒星形成、AGN 活动或潮汐力是否主导电离过程。
• 评估激波与湍流等动力学过程在塑造 LIRGs 电离结构中的作用。
• 探究电离机制是否与红外 luminosity 或相互作用阶段相关。
• 检验激波驱动电离在 LIRG 与 ULIRG 光度范围内的普适性。

提出的方法

• 利用甚大望远镜（VLT）上的 VIMOS 仪器获取 32 个 LIRGs 的光学积分场光谱（IFS）数据，覆盖 10^11–10^12 L⊙ 的红外 luminosity 范围。
• 分析覆盖所有相互作用阶段（孤立、相互作用对、高级并合）的超过 25,300 个空间分辨光谱。
• 利用诊断图（如 [S ii]/Hα 与 [N ii]/Hα，以及 [O i]/Hα 与 [N ii]/Hα 的关系）区分电离源：恒星形成、激波或 AGN。
• 通过线比值（包括 [S ii]λλ6717,6731/Hα、[O i]λ6300/Hα 和 [N ii]λ6584/Hα）量化电离激发程度。
• 测量电离气体的速度弥散度（σ），以关联激发程度并推断激波贡献。
• 在不同相互作用类别（0：孤立，1：相互作用对，2：高级并合）和光度范围内对比结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同相互作用阶段下，LIRGs 核外区域的主导电离机制是什么？
• RQ2 电离激发程度如何随相互作用阶段和速度弥散度变化？
• RQ3 LIRGs 中的激波电离是由潮汐力还是由恒星形成引发的超新星风驱动的？
• RQ4 电离机制是否与红外 luminosity 或恒星形成率相关？
• RQ5 在相互作用和并合的 LIRGs 与 ULIRGs 中，[O i]/Hα 与速度弥散度之间是否存在普遍关系？

主要发现

• [S ii]/Hα 和 [O i]/Hα 线比值随相互作用阶段显著上升，表明相互作用与并合系统中激波电离更强。
• 中位速度弥散度从孤立系统（0 类）的 37 km s⁻¹ 上升至高级并合系统（2 类）的 51 km s⁻¹，超过典型正常旋涡星系的值。
• 在相互作用与并合的 LIRGs 中，电离激发程度（通过 [O i]/Hα 和 [S ii]/Hα 测量）与速度弥散度之间存在明确正相关，支持激波驱动电离。
• 该相关性在孤立 LIRGs 中不存在，表明激波在非相互作用系统中不显著。
• 电离机制与红外 luminosity 或恒星形成率无关，表明潮汐力而非恒星形成反馈是激波的主要驱动力。
• 初步证据表明，LIRGs 与 ULIRGs 之间存在共同的 log([O i]λ6300/Hα)–log(σ) 关系，表明相互作用系统中存在普遍存在的潮汐激波起源。