[论文解读] X-ray sources in the starburst spiral galaxy M83: nuclear region and discrete source population

Roberto Soria, Kinwah Wu|ArXiv.org|Jan 4, 2002

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 17被引用 30

一句话总结

本研究分析了星暴螺旋星系M83的Chandra ACIS-S3 X射线数据，解析出81个离散源，并表征了未解析的核区发射。研究发现，50%的核区X射线发射是未解析的，其中70%归因于由超新星和大质量恒星富集的热等离子体，且揭示了核区与旋臂源具有不同的光度函数，表明核区存在持续的剧烈恒星形成活动。

ABSTRACT

Chandra has resolved the starburst nuclear region of the face-on grand-design spiral M83. Eighty-one point sources are detected above 3.5 sigma in the ACIS S3 image, and 15 of them are within the inner 16-arcsec region of the galaxy. A point source with L_x ~ 3 x 10^(38) erg/s in the 0.3--8.0 keV band is found to coincide with the infra-red nuclear photometric peak, one of the two dynamical nuclei of the galaxy. No point-like sources are resolved (at a 2.5-sigma level) at the centre of symmetry of the outer optical isophote ellipses, suspected to be another dynamical nucleus. About 50% of the total emission in the nuclear region is unresolved; of this, about 70% can be attributed to hot thermal plasma, and the rest is probably due to unresolved point sources (eg, faint X-ray binaries). The azimuthally-averaged radial distribution of the unresolved emission has a King-like profile, with no central cusp. Strong emission lines are seen in the spectrum of the optically thin plasma component. The high abundances of C, Ne, Mg, Si and S with respect to Fe suggest that the interstellar medium in the nucleus is enriched and heated by type-II supernova explosions and winds from massive stars. The cumulative luminosity distribution of the discrete X-ray sources is neither a single nor a broken power law. Separating the sources in the nuclear region (within a distance of 60 arcsec from the X-ray centre) from the rest reveals that the two groups have different luminosity distributions. The log[N(>S)]--log S curve of the sources in the inner region (nucleus and stellar bar) is a single power law, which we interpret as due to continuous, ongoing star formation. Outside the central region, there is a smaller fraction of sources brighter than the Eddington limit for an accreting neutron star.

研究动机与目标

• 利用高分辨率Chandra数据解析并表征M83星暴核区的X射线源群体。
• 确定核区未解析X射线发射的起源，区分弥散等离子体与未解析点源。
• 研究离散X射线源的光度函数，并比较核区（半径60″以内）与旋臂区域的源群体。
• 评估超新星富集与恒星风对核区星际介质X射线谱的影响。
• 通过X射线点源探测，检验在外部光学等位线中心是否存在第二个动力学核。

提出的方法

• 在ACIS-S3芯片的0.3–8.0 keV能带内，使用CIAO celldetect算法以3.5-σ阈值进行源检测。
• 利用XSPEC对单个源和未解析发射进行谱拟合，采用包含吸收热等离子体（Raymond-Smith）、盘-黑体及幂律分量的模型。
• 通过1.0、1.7和3.0 keV能量依赖的曝光图进行曝光校正，以推导净计数率。
• 使用方位平均法分析未解析发射的径向表面亮度分布，并用类似King的轮廓进行拟合。
• 对半径60″以内和以外的源进行累积光度函数（log N(>S)–log S）分析，以比较源群体差异。
• 通过谱线分析推断等离子体温度、金属丰度和径向速度，依据发射线（如He-like C、Ne、Mg、Si、S）进行分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 M83核区未解析X射线发射的性质与起源是什么？
• RQ2 核区与星系旋臂中离散X射线源的光度函数有何差异？
• RQ3 热等离子体与未解析点源对总核区X射线光度的贡献各是多少？
• RQ4 基于X射线点源探测，是否有证据表明在外层光学等位线中心存在第二个动力学核？
• RQ5 未解析谱中高金属丰度和红移发射线对星际介质富集与动力学有何含义？

主要发现

• 在3.5-σ以上检测到81个离散X射线源，其中15个位于M83内半径16″范围内。
• 一个X射线光度L_X ≈ 3×10³⁸ erg s⁻¹的点源与红外核光度峰值重合，被识别为两个动力学核之一。
• 在外部光学等位线中心未解析出点源（2.5-σ极限），表明在第二个疑似动力学核位置无明亮X射线源。
• 总核区X射线发射中50%为未解析；其中70%归因于热等离子体（kT ≈ 0.60 keV），30%归因于未解析点源及PSF瓣。
• 未解析发射的径向轮廓符合类似King的轮廓，具有中心平台且无尖峰，延伸超过恒星形成弧。
• 未解析谱显示出C、Ne、Mg、Si和S的强发射线，红移速度≈7000 km s⁻¹，表明存在来自II型超新星和沃尔夫-拉叶星风的外流、金属富集等离子体。