Bidimensional study of the ionisation mechanisms of the diffuse gas in galaxies of the local universe with MUSE

Abstract

En aquest treball, presentem el projecte Bidimensional Exploration of the warm-Temperature Ionised gaS (BETIS), enfocat en l'estudi del gas ionitzat difús (DIG) en galàxies espirals properes utilitzant l'espectrògraf de camp integral MUSE. L'objectiu principal és comprendre els diversos mecanismes d'ionització que donen lloc al DIG. Això implica una anàlisi espacialment resolta d'espècies d'alta i baixa ionització en espectres òptics. Hem introduït un nou mètode per definir espectroscòpicament el DIG, adaptable a diferents resolucions de galàxies. Inicialment, hem utilitzat una tècnica de binning adaptatiu basada en la relació senyal-soroll (S/N) de la línia [S II] per millorar la S/N d'altres línies. Posteriorment, vam crear una màscara per eliminar regions H II brillants i dèbils. També hem avaluat l'idoneïtat d'usar l'ample equivalent de \ha (\EWha) per definir el DIG i el seu règim d'ionització. Hem trobat que per a \EWha < 3\r{A}, esperat d'estrelles evolucionades de baixa massa i alta temperatura (HOLMES), el valor depèn de la tècnica de síntesi de poblacions utilitzada. L'anàlisi de la mostra revela una fracció de DIG consistent del 40%-70% en totes les galàxies. Les tendències dels quocients \nii/\ha, \sii/\ha, \oi/\ha y \oiii/\hb indiquen una correlació entre la ionització en el DIG i les regions H II, vinculada a la lluentor superficial de de \ha (\SBha). Els diagrames de diagnòstic mostren que el DIG generalment cau dins dels quocients de línia corresponents a la fotoionització deguda a la formació estel·lar (FE), amb un desplaçament que suggereix ionització deguda a xocs ràpids. No obstant això, l'anàlisi individual de les galàxies indica que aquest desplaçament és atribuït a galàxies Seyfert en la mostra. Això suggereix que les galàxies amb nucli actiu han de ser analitzades per separat, ja que la seva emissió és indistinguible del DIG d'alta excitació.

En un segon estudi dins del projecte BETIS, l'enfocament està en el gas ionitzat difús extraplanar (eDIG), un component clau per entendre els processos de retroalimentació entre els discs i halos galàctics. Hem aplicat la metodologia de binning del primer estudi de BETIS a una mostra de vuit galàxies observades amb MUSE. Els quocients \nii/\ha, \sii/\ha, \oi/\ha i \oiii/\hb mostren una estructura d'ionització complexa en els halos galàctics, influenciada per la distribució espacial de les regions H II. Hem identificat l'escapament de fotons del continu de Lyman de les associacions OB com la principal font d'ionització, amb la temperatura electrònica i el quocient d'ionització S+/S depenent de la distribució de les regions H II dins dels discs galàctics. L'anàlisi exclou els HOLMES com a fonts significatives d'ionització per explicar els inusuals quocients de línia a majors distàncies del pla mitjà galàctic. En canvi, hem identificat els xocs dels mecanismes de retroalimentació relacionats amb la FE com a fonts d'ionització secundàries prometedores per al eDIG. Els models que incorporen ionització per xocs ràpids i fotoionització per FE suggereixen que la contribució de xocs ràpids a la ionització del eDIG varia del 20% al 50% en la mostra, amb variacions locals de fins al 20% dins dels halos individuals de les galàxies. Això es correlaciona amb la presència de filaments i components estructurals en els halos galàctics. Les altes densitats i els alts quocients de \oi/\ha, característiques del gas ionitzat comprimit per xocs, recolzen la presència de xocs, probablement provinents de la retroalimentació en regions d'intensa FE dins del disc galàctic.

En este trabajo, presentamos el proyecto Bidimensional Exploration of the warm-Temperature Ionised gaS (BETIS), enfocado en el estudio del gas ionizado difuso (DIG) en galaxias espirales cercanas utilizando el espectrógrafo de campo integral MUSE. El objetivo principal es comprender los diversos mecanismos de ionización que dan lugar al DIG. Esto implica un análisis espacialmente resuelto de especies de alta y baja ionización en espectros ópticos. Hemos introducido un nuevo método para definir espectroscópicamente el DIG, adaptable a diferentes resoluciones de galaxias. Inicialmente, hemos utilizado una técnica de binning adaptativo basada en la relación señal-a-ruido (S/N) de la línea \sii para mejorar la S/N de otras líneas. Posteriormente creamos una máscara para eliminar regiones \hii brillantes y débiles. También hemos evaluado la idoneidad de usar el ancho equivalente de \ha (\EWha) para definir el DIG y su régimen de ionización. Hemos encontrado que para \EWha < 3\r{A}, esperado de estrellas evolucionadas de baja masa y alta temperatura (HOLMES), el valor depende de la técnica de síntesis de poblaciones utilizada. El análisis de la muestra revela una fracción de DIG consistente del 40\%-70\% en todas las galaxias. Las tendencias de los cocientes \nii/\ha, \sii/\ha, \oi/\ha y \oiii/\hb indican una correlación entre la ionización en el DIG y las regiones \hii, vinculada al brillo superficial de \ha (\SBha). Los diagramas de diagnóstico muestran que el DIG generalmente cae dentro de los cocientes de línea correspondientes a la fotoionización debida a la formación estelar (FE), con un desplazamiento que sugiere ionización debido a choques rápidos. Sin embargo, el análisis individual de las galaxias indica que dicho desplazamiento es atribuido a galaxias Seyfert en la muestra. Esto sugiere que las galaxias con núcleo activo deben ser analizadas por separado, ya que su emisión es indistinguible del DIG de alta excitación.

En un segundo estudio dentro del proyecto BETIS, el enfoque está en el gas ionizado difuso extraplanar (eDIG), un componente clave para entender los procesos de retroalimentación entre los discos y halos galácticos. Hemos aplicado la metodología de binning del primer estudio de BETIS a una muestra de ocho galaxias observadas con MUSE. Los cocientes \nii/\ha, \sii/\ha, \oi/\ha y \oiii/\hb muestran una estructura de ionización compleja en los halos galácticos, influenciada por la distribución espacial de las regiones \hii. Hemos identificado al escape de fotones del continuo de Lyman de las asociaciones OB como la principal fuente de ionización, con la temperatura electrónica y el cociente de ionización S+/S dependiendo de la distribución de las regiones \hii dentro de los discos galácticos. El análisis excluye a los HOLMES como fuentes significativas de ionización para explicar los inusuales cocientes de línea a mayores distancias del plano medio galáctico. En cambio, hemos identificado los choques de los mecanismos de retroalimentación relacionados con la FE como fuentes de ionización secundarios prometedores para el eDIG. Los modelos que incorporan ionización por choques rápidos y fotoionización por FE sugieren que la contribución de choques rápidos a la ionización del eDIG varía del 20\% al 50\% en la muestra, con variaciones locales de hasta el 20\% dentro de los halos individuales de las galaxias. Esto se correlaciona con la presencia de filamentos y componentes estructurales en los halos galácticos. Las altas densidades y los altos cocientes de \oi/\ha, características del gas ionizado comprimido por choques, respaldan la presencia de choques, probablemente provenientes de la retroalimentación en regiones de intensa FE dentro del disco galáctico.

The Bidimensional Exploration of the warm-Temperature Ionised gaS (BETIS) project is focused on studying the diffuse ionised gas (DIG) in nearby spiral galaxies using the MUSE integral-field spectrograph. The main goal is to understand the various ionisation mechanisms within the DIG. This involves a spatially resolved analysis of high- and low-ionisation species in optical spectra. A new method for spectroscopically defining the DIG, adaptable for different galaxy resolutions, has been introduced.

Initially, an adaptive binning technique based on the signal-to-noise ratio (S/N) of the [S II] line was used to enhance the S/N of other lines like [O III], [O I], and He I. A DIG mask was then created by removing emissions from bright and faint H II regions. The suitability of using \hii equivalent width (\ha (\EWha) to define the DIG and its ionisation regime was also assessed. It was found that for \EWha < 3\r{A},, expected from hot low-mass evolved stars (HOLMES), the value depends on the population synthesis technique used.

Analysis of the sample reveals a consistent DIG fraction of 40%-70% across all galaxies. The average radial distribution of the [\nii/\ha, \sii/\ha, \oi/\ha and \oiii/\hb ratios is enhanced in the DIG regimes by up to 0.2 dex. These trends indicate a correlation between ionisation in the DIG and H II regions, linked to the \hii surface brightness (\ha (\SBha)). Diagnostic diagrams show that the DIG generally falls within line ratios corresponding to photoionisation from star formation, with an offset suggesting ionisation due to fast shocks. However, individual galaxy analysis indicates that DIG ionisation is primarily from star formation, with the offset attributed to Seyfert galaxies in the sample. This suggests that galaxies with active galactic nucleus (AGN) activity should be separately analyzed, as their emission is indistinguishable from high-excitation DIG.

In a second study within the BETIS project, the focus is on extraplanar diffuse ionised gas (eDIG), a key component for understanding feedback processes between galactic discs and halos. Using eight edge-on galaxies observed with MUSE, the study applies the binning methodology from the first BETIS paper. The \nii/\ha, \sii/\ha, \oi/\ha and \oiii/\hb ratios show a complex ionisation structure in galactic halos, influenced by the spatial distribution of H II regions. Lyman continuum photon leakage from OB associations is identified as the main ionisation source, with electron temperature and S+/S ionisation ratio depending on H II region distribution within galactic discs.

The analysis excludes HOLMES as significant ionisation sources for explaining unusual line ratios at greater distances from the galactic midplane. Instead, shocks from star formation-related feedback mechanisms are identified as promising secondary ionisation sources for the eDIG. Models incorporating ionisation from fast shocks and star formation photoionisation suggest that the ionisation budget of the eDIG ranges from 20% to 50% across the sample, with local variations up to 20% within individual galaxy halos. This correlates with the presence of filaments and structural components in galaxy halos. High-density, high \oi/\ha ratios, characteristic of shock-compressed ionised gas, support the presence of shocks, likely from feedback in regions of intense star formation within the galactic disk.