近邻恒星形成星系的热气体外流

The feedback by hot gas outflows from star forming galaxies (SFGs) is one of the primary mechanisms to eject energy, materials, and heavy elements into circus-galactic medium, and the poorest understood part of the galaxy formation and evolution theory. However, many fundamental questions about these outflows remain open, mainly due to weak understanding to the origin of the X-ray emission that traces the driven force of outflows. The result of RGS spectrum of starburst galaxy M82 has shown that, a substantial fraction of the emission cannot arise from optically-thin thermal plasma, as commonly assumed, but originate in charge exchange (CX) at the interface with neutral gas. This quantification of the CX contribution is essential to the use of the X-ray observation as a tracer of the feedback. We request the support for a comprehensive data analysis, and modeling program to spectroscopically determine the origins of the X-ray emission using RGS observations, prove the ubiquitous of CX process, and study the thermal and chemical properties. In particular, we will map out the spatial distributions of key emission lines and measure (or tightly constrain) the kinematics of outflows. Furthermore, we will use ultraviolet observations around outflows to explore the interaction between the cold and hot gas at different regions of outflows, and how the hot gas outflows are transformed into large halos. Finally we compare simulation results of an individual starburst galaxy with the observational results. The studies are important to the understanding of the feedback by hot gas outflows.

恒星形成星系(SFGs)的热气体外流反馈是使能量、物质和金属元素流入到星系周边介质的主要机制之一，也是星系形成与演化理论中认识最薄弱的一部分。许多关于外流的基本问题仍不清楚，很大程度上是因为对示踪外流驱动力的X射线辐射起源不够了解。我们对星暴星系M82的X射线光谱研究表明，很大的一部分X射线辐射并非来自通常认为的光学薄的热等离子体，而是来自它与中性气体交互作用面上的电荷交换(CX)辐射。在使用X射线观测来示踪星系反馈时，量化CX的贡献是非常必要的。我们计划对一个近邻SFGs样本进行完整的数据处理和拟合，使用RGS光谱来确定热气体外流的X射线辐射的起源、证认CX过程的普遍性、研究热气体外流的热力学与化学性质。我们将进一步通过外流临近范围内的紫外观测，来探索外流不同区域的冷热气体交互作用与热气体外流到大尺度晕的转化过程。最后我们使用对单个星暴星系的模拟结果来验证观测结果。

在项目执行期间，我们对星系的热气体外流进行了多方位的研究，并在探索过程中取得计划外的成果。在科学方面：1）深入研究星系超级风中的冷热气体交互过程，通过电荷交换（CX）辐射对冷气体的分布和形态进行了限制；2）发现旋涡星系M51核心区域喷流驱动的热气体似乎在与周围冷气体介质发生CX过程；3）发现M51的星系盘上的弥漫软X射线辐射其实是CX辐射占据主导；4）构建了共振散射光谱模型，并将之应用于近邻大星系M31核球部分的弥漫X射线辐射；5）构建了AGN遗迹的光谱模型，以之发现M31在约50万年前曾是明亮AGN；6）对NGC3783的X射线与紫外波段同时观测的高分辨率光谱进行了同时拟合，取得极佳的温吸收体外流团块的结果；7）利用大样本高精度星系模拟NIHAO项目，深入研究了星系周介质中冷气体和温热气体的辐射特征，以及星系外流对两者的影响。以上成果都已发表文章，或在国际会议上进行过展示。在技术方面：实现了高分辨率光谱数据的谱线成像。利用氧线的空间图像，已经可以揭示出不同辐射机制的分布差异以及热气体的速度信息。这为星系反馈弥漫X射线辐射的研究提供了全新的可能。