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The$interstellar$medium$in$metal/poor$ blue...The$interstellar$medium$in$metal/poor$...

Date post: 11-Mar-2021
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The  interstellar  medium  in  metal-­‐poor  blue  dwarf  galaxies  

Leslie  Hunt  INAF-­‐Osservatorio  Astrofisico  di  Arcetri,  

Firenze  

with  S.  Garcia-­‐Burillo,  V.  Casasola,  P.  Caselli,  F.  Combes,  C.  Henkel,  A.  Lundgren,  R.  Maiolino,  K.  M.  Menten,  L.  TesN,  A.  Weiss  

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Outline  of  talk  

!   Low-­‐metallicity  low-­‐z  starbursts  as  a  local  approach  to  the  study  of  chemically  unevolved  high-­‐redshiQ  galaxies  

 !   The  ISM  in  metal-­‐poor  starbursts  (IRAM  30m  observaNons)  

ü  molecular  depleNon  Nmes  ü  conversion  factor  of  CO  luminosity  to  H2  mass,  αCO  ü  HI,  total  gas  content    

 !   Comparison  of  observaNons  with  models  for  H2  formaNon  

!   InvesNgate  discrepancies  of  models  versus  observaNons:  the  role  of  gas  volume  density  

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Difference  of  high-­‐z  populaNons  due  to  global  properNes  (i.e.,  Mstar,  morphology,  SFR,  Z)  

or  characterisNcs  of  the  ISM?    For  given  Mstar  and  SFR/Mstar  (specific  SFR,  sSFR):    Ø  ionized  gas  densiNes  were  7  Nmes  higher  at  z~3  than  z~0  (Shiraz+  2014)  

Ø  G0  was  5  Nmes  higher  with  consequently  higher  Tdust  at  z~3  than  z~0  (Magdis+  2012)  

Low-­‐z  metal-­‐poor  starbursts  have  warmer  dust  spectral  energy  distribuNons,  harder  and  more  intense  radiaNon  fields,  and  frequently  high  gas  densiNes,  similar  to  high-­‐z  populaNons.  

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scaling  relaNons  of  metallicity  (O/H),  stellar  mass,  and  SFR  

MS  z~1  MS  z~2  

MS  z~0  

Le#:  sSFR  and  O/H  are  clearly  correlated  for  galaxies  in  the  Local  Universe.  Slope  corresponds  to  what  would  be  expected  if  metallicity  is  governed  by  momentum-­‐driven  winds  (e.g.,  Dave’  et  al.  2011,  Dayal  et  al.  2013).    Right:    star  formaNon  “main  sequence”  (e.g.,  Salim+  2007,  Noeske+  2007,  Karim+  2011)  

Adapted  from

 Hun

t+  2012)  

IZw18

SBS0335-052  

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scaling  relaNons  of  metallicity  (O/H),  stellar  mass,  and  SFR  

MS  z~1  MS  z~2  

MS  z~0  

CorrelaNons  degrade  when  high-­‐redshiQ  samples  are  added,  suggesNng  that  selecNon  effects  (conNnuum,  line  flux  limits)  are  important  for  characterizing  scaling  relaNons.    Metal-­‐poor  starbursts  (mostly  Blue  Compact  Dwarfs)  in  the  Local  Universe  can  have  sSFRs  that  are  typical  of  galaxies  at  z~2.  

Adapted  from

 Hun

t+  2012)  

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how  can  we  characterize  a  metal-­‐poor  ISM?  

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AV  (magnitudes)  1   10  

H      C+      O  

H/H2  

C+/C/CO  

O/O2  

T~100-­‐1000K   T~10-­‐100K  

UV  flux  

UV  flux  

UV  flux  

H+   H2        CO  

H+  HI  

AV<0.1  

PhotodissociaNon  region  (PDR)  

(adapted  from  Wolfire  &  Kaufman  2011)  

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PDR  structure  changes  at  low  metallicity  

CO  emission  comes  from  an  increasingly  smaller  region  as  metallicity  decreases  (e.g.,  Maloney  &  Black  1988),  and  is  expected  to  disappear  at  sufficiently  low  metalliciNes.  

(taken  from  Bolaoo+  2013,  Bolaoo+  1999)  

decreasing  metallicity    

CO  

C+  C  

H2  

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CO-­‐dark  H2  gas  prevalent  at  low  metallicity  

RaNo  of  atomic  carbon  [CI]  (3P1-­‐3P0  ,  610μm)  to  CO(1-­‐0)  larger  at  low  O/H  

PDR  model  by  Bolaoo+  1999  

Bolaoo+  2000  fit  to  data  

(APEX, Hunt+ 2015)  

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MOlecules  and  DUst  and  LOw  metallicity  (MODULO)  155  dwarf  galaxies  imaged  with  Spitzer/Herschel  and  Z<0.4  Z¤;  median  Z=0.19  Z¤ Metallicity  decreases        è ordered  disks  become  clumpy  knots  of  star  formaNon.  

Z=0.03  Z¤  

12+logO/H  =  7.5  

7.79  7.99  

8.15  8.30  

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CGCG007-­‐025,  0.1  Z¤  

UM462,  0.2  Z¤   UM448,  0.2  Z¤  NGC7077,  0.2  Z¤  Mrk996,  0.2  Z¤  

12CO(1-­‐0)  IRAM  30m  observaNons      Detected  8  out  of  8  galaxies  observed,  including  a  tentaNve  3σ  detecNon  at  0.1  Z¤.    Largest  collecNon  of  low-­‐metallicity  (≤  0.2  Z¤)  CO(1-­‐0)  detecNons  outside  the  Local  Group.  

Haro3,  0.5  Z¤  NGC1140,  0.3  Z¤   NGC1156,  0.3  Z¤  

Hunt+  2015,  submioed  

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CGCG007-­‐025,  0.1  Z¤  

UM462,  0.2  Z¤   UM448,  0.2  Z¤  NGC7077,  0.2  Z¤  Mrk996,  0.2  Z¤  

IZw18,  0.03  Z¤   SBS0335-­‐052,  0.03  Z¤  

Haro3,  0.5  Z¤  IIZw40,  0.3  Z¤   NGC1140,  0.3  Z¤   NGC1156,  0.3  Z¤  

The  following  analysis  also  includes  3  

addiNonal  galaxies:  IIZw40  at  0.3  Z¤ and  

SBS0335-­‐052  and  IZw18  at  0.03  Z¤.    

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(taken

 from

 Hun

t+  2015,  A&A,  su

bmioed

)  

The  12CO(1-­‐0)  spectra  

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molecular  depleNon  Nmes  and  the  conversion  factor  of  CO  luminosity  to  H2  mass,  αCO  

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CO  traces  SFR  even  at  low  metallicity  

For  our  sample  (with  Z<0.5Z¤),  there  is  a  factor  of  30  offset  to  lower  L’(CO)  for  a  given  SFR  relaNve  to  the  relaNon  found  by  Gao  &  

Solomon  (2004).    

Given  the  relaNvely  narrow  range  of  metalliciNes  in  our  sample,  we  included  addiNonal  galaxies  (Schruba+  2012):    significant  dependence  of  SFR/L’(CO)  on  O/H.  

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examine  L’(CO)/SFR  raNos  to  determine  molecular  depleNon  Nmes  at  low  metallicity  

Molecular  τdep  =          αCO  L’(CO)/SFR  

 Regression  line  by  Saintonge+  (2011)  for  mass-­‐selected  COLDGASS  sample  with  constant  αCO.    Is  offset  of  L’(CO)/SFR  vs  sSFR  due  to  αCO    variaNon  with  Z?  

(taken  from  Hunt+  2015,  submioed)  

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residuals  from  L’(CO)/SFR  fit  with  sSFR  show  correlaNon  with  O/H  

(αCO)-­‐1  ≈  (Z/Z¤)1.9    Consistent  with  that  found  by  measuring  dust  methods  (e.g.,  Leroy+  2011,  Bolaoo+  2011),  but  shallower  than  the  metallicity  dependence  found  by  assuming  constant  depleNon  Nmes  (e.g.,  Schruba+  2012,  Genzel+  2012:  (αCO)-­‐1  ≈  (Z/Z¤)2-­‐3).  

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molecular  depleNon  Nmes  are  shorter  for  metal-­‐poor  dwarf  starbursts  

τdep  varies  by  a  factor  of  >  200  down  to  100  Myr  over  a  spread  of  103  in  sSFR  and  Mstar.    Range  of  parameter  space  covered  by  our  observaNons  extends  to  higher  sSFR  and  lower  stellar  mass  than  Saintonge+  (2011).  

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Short  molecular  gas  depleNon  Nmes  τdep  ≤  100  Myr  found  at  the  highest  sSFRs  (≤  100  Myr)  are  shorter  than  those  found  for  “main  sequence”  galaxies  at  similar  redshiQs  (Genzel+  2015),  but  comparable  to  those  by  Scoville+  (2014).    TheoreNcal  expectaNon  is  that  low  metallicity  means  low  star-­‐formaNon  efficiency  because  of  lack  of  cooling,  but  these  results  would  suggest  the  opposite.  

molecular  depleNon  Nmes  are  shorter  for  metal-­‐poor  dwarf  starbursts  

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what  about  atomic  gas?  total  gas  content  

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gas  -­‐to-­‐  baryonic  mass  fracNons  higher  for  high  sSFR  and  low  metallicity  

Including  HI  gives  significant  correlaNon  of    Mgas    (=MHI+MH2)/Mbaryonic  (=Mgas+Mstar)  with  sSFR  and  metallicity.    

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gas  -­‐to-­‐  baryonic  mass  fracNons  higher  for  high  sSFR  and  low  metallicity  

Outliers  (Mrk996,  N7077),  with  ellipNcal  morphology,  may  be  in  a  quenching  phase  with  liole  HI  but  high  H2/HI  fracNons  (~40%).  

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gas  -­‐to-­‐  baryonic  mass  fracNons  also  higher  for  low  stellar  mass  

Mgas/Mbaryonic  fracNons  and  molecular  depleNon  Nme  τdep  behave  in  similar  ways  for  the  

galaxies  in  our  combined  sample:  

 metal-­‐poor,  low-­‐mass,  high  sSFR  galaxies  tend  to  have  

shorter  molecular  depleNon  Nmes  and  higher  gas-­‐mass  

fracNons.    

Primary  driver  seems  to  be  stellar  mass  since  these  

correlaNons  tend  to  show  less  scaoer  than  those  with  O/H.  

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unlike  molecular  gas  τdep  HI  depleNon  Nmes  constant  

τdep(HI)  ~  3.4  Gyr  (see  Schiminovich+  2010  for  GASS  galaxies)    

ImplicaNon  is  that  HI  only  indirectly  involved  with  SF  

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comparison  of  observaNons  with  models  for  H2  formaNon  

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observaNons  broadly  consistent  with  models  

Krumholz+  (2009),  McKee  &  Krumholz  (2010),  Krumholz+  (2011)  predict  that  the  fracNon  of  molecular  gas  fH2  depends  on  metallicity  through  cloud  opNcal  depth  τ  assumed  to  be  linearly  proporNonal  to  Z/Z¤.      FracNon  of  gas  mass  where  carbon  is  in  CO  also  depends  on  metallicity  through  AV,  assumed  to  vary  linearly  with  Z/Z¤  (see  also  Wolfire+  2010).  

Here  global  values  (not  surface  densiNes)  by  including  a  resoluNon  correcNon.    

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observaNons  broadly  consistent  with  models  

Here  global  values  (not  surface  densiNes)  by  including  a  resoluNon  correcNon.    

Despite  general  good  agreement,  at  Z/Z¤≤0.2,  some  data  exceed  by  a  factor  of  3  predicted  variaNon  of  αCO.  

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invesNgaNng  discrepancies  of  models  versus  observaNons:  the  role  of  gas  volume  density  

 

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(Adapted  from  Hunt+  2012)  

(Taken  from  Rem

y-­‐Ruyer+  2014)  

dust-­‐to-­‐gas  raNos  not  linear  with  metallicity  

Gas/du

st  m

ass  raN

o  12+Log(O/H)  Open  blue  circles  correspond  to  gas  mass  total  of  ionized  

gas  +  HI;  filled  circles  ionized  gas  +  HI  +  inferred  H2.    Dust  mass  inferred  from  SED  fi}ng  (Hunt+  2014).  

If  dust-­‐to-­‐gas  raNos  are  not  uniquely  linearly  dependent  on  metallicity,  then  many  of  the  model  assumpNons  for  gas  scaling  relaNons  are  called  into  quesNon.  

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radio  signature  of  dense  gas  in  SBS  0335-­‐052  

3.6  cm    6  cm    

2  cm     1.3  cm    

High-­‐resoluNon  VLA  images  of  SBS0335-­‐052E  show  that  only  the  two  brightest  clusters  have  high-­‐ν  free-­‐free  emission  (Johnson,  Hunt,  Reines  2009).  

SED  fi}ng  of  the  radio  conNnuum  gives  SSC  sizes  of  3-­‐6  pc  at  high-­‐resl’n,  and  8-­‐15  pc  at  low  resl’n  (Hunt+  2004).  Inferred  electron  densiNes  are  high,  ~3000  cm-­‐3,  about  6  Nmes  higher  than  esNmated  from  the  opNcal  spectrum  (500  cm-­‐3).  

low-­‐frequency  turnover  

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radio  conNnuum  in  I  Zw  18,  no  dense  gas    

Unlike  for  SBS  0335-­‐052,  SED  fi}ng  of  the  radio  conNnuum  in  I  Zw  18  shows  no  evidence  for  high  emission  measure  (i.e.,  high  densiNes  along  the  line-­‐of-­‐sight).    From  fit  of  radio  spectrum  ionized  gas  densiNes  ~  10  cm-­‐3  (Hunt+  2005,  see  also  Cannon+  2005)  about  10  Nmes  lower  than  opNcal  spectrum  (~  100  cm-­‐3).  

21  cm   6  cm  

no  low-­‐frequency  turnover  

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!   Schneider+  (2015)  show  that  dust  mass  in  SBS0335-­‐052  is  grown  mainly  through  grain  accreNon  in  clouds,  while  IZw18  mostly  by  stellar  sources.  

!   With  few  excepNons  (e.g.,  Glover  &  MacLow  2011),  most  modeling  efforts  to  determine  H2  fracNon  assume  that  the  capacity  of  a  cloud  to  avoid  photo-­‐dissociaNon  of  CO  depends  linearly  on  metallicity;  such  an  assumpNon  is  implicit  in  the  noNon  that  the  dust  opNcal  depth  and  dust-­‐to-­‐gas  raNo  vary  linearly  with  metallicity  (e.g.,  Krumholz+  2009,  2011,  Wolfire+  2010).    

!   If  the  dust  opNcal  depth  does  not  vary  linearly  with  metallicity,  then  these  model  predicNons  may  be  incorrect.  

!   Together  with  metallicity,  gas  density  may  play  an  important  role  in  shaping  the  properNes  of  the  ISM  

high  gas  density  implies  more  efficient  grain  growth  


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