A Galactic Census of Extended Fe+ Emission Line Objects in Near-Infrared

Abstract

Shock is crucial in the evolution and circulation of matters in the Milky way as it transfers mass and kinetic energy into the interstellar medium, provides heavy elements to the future stars to be born, and more widely, fertilizes the host galaxy. Therefore, understanding the role of shock is essential for attaining a comprehensive view of the ecology of the Galaxy. Emission lines are one of the vital means to access, since the shocked gas produces spectrum rich in emissions lines. In this thesis, I adopt previously unaccessible, but growingly popular line species, [Fe II] 1.644 μm in near-infrared as a probe, to explore systematically the shocked gas in the1st Galactic quadrant in the Milky way. In part I, I searched for extended ionized Fe objects (IFOs) in the inner Galactic plane using the United Kingdom Infrared Telescope (UKIRT) Wide- field Infrared Survey for Fe+ (UWIFE survey). The UWIFE survey was the first imaging survey of the Milky Way in [Fe II] 1.644 μm emission line, and it was conducted along the Galactic plane in the first Galactic quadrant (7◦ ≤ l ≤ 62◦,

b

≤ 1◦.5). I identified 204 IFOs with combination of manual search and automatic source detection algorithm. Most of them are detected in [Fe II] 1.644 μm line for the first time. The measured sizes and fluxes of the 204 IFOs are presented in the catalog. I have further searched for the counterparts of IFOs via positional cross-matching with previously known sources and found that the majority of IFOs are associated with supernova remnants, young stellar objects, H II regions, planetary nebulae, and luminous blue variables. The IFOs are grouped by their counterpart types and their statistical and morphological properties were discussed. In part II, I present the results of a high-resolution near-infrared spectroscopic follow-up study of an IFO which has extraordinary physical properties among the IFOs with no counterparts in Part I. The target, IFO 95, is of special in aspect of its markedly large extent and high flux, which are two-orders of magnitude larger/higher than the other IFOs without counterparts. I investigate IFO 95, also known as G25.8+0.2, with H- and K-band spectra obtained by IGRINS mounted on J. Smith Harlan telescope at McDonald observatory located at Texas, Austin. Using the detected lines, which are composed of low-ionization lines of Hydrogen, Helium and [Fe II], I differentiate and locate the shocked and photoionized [Fe II] components in the two-dimensional space of position and velocity, by means of extinction-corrected [Fe II] / Br γ ratio. Based on the spectroscopic results, I propose that an SNR scenario should be additionally invoked to explain the comprehensive trait of the G25.8+0.2 region, such as the yield of Lyman photons suggested by radio structure, the excitation mechanisms of the observed [Fe II] in this study, soft X-ray reported in the literature, rather than invoking only the photoionization.

충격파는 질량과 운동 에너지를 인접한 성간물질로 전달하고, 미래에 그 장 소에서 태어날 별들에게 중원소를 제공하며, 더 광범위하게는 모은하를 비옥하게 하기 때문에 은하 내부 물질의 진화와 순환에 중요한 역할을 한다. 따라서 충격 파의 역할을 이해하는 것은 은하계의 생태학에 대한 포괄적인 관점을 얻기 위해 필수적이라 할 수 있다. 충격파의 영향을 받은 가스는 방출선이 풍부한 스펙트럼 을 생성하기 때문에, 이러한 의미에서 방출선 스펙트럼은 이러한 현상에 접근하기 위한 중요한 수단 중 하나이다. 본 학위논문은 우리 은하에서의 충격파의 성격 을 체계적으로 살펴보기 위해, 과거에는 이용이 어려운 면이 있었지만 천문학과 제반 기기의 발달로 점차 접근이 가능해진 근적외선 [Fe II] 1.644μm 방출선을 수단으로 채택하여 우리 은하 제 1 사분면 은하평면의 일부분을 체계적으로 살펴보았다. 먼저, 1부에서는 UWIFE 서베이 데이터를 이용해 은하 평면에서 퍼진 철 이온화 천체 (IFO)를 찾아내고자 하였다. UWIFE 서베이는 [Fe II] 1.644 μm 방출선을 이용해 우리 은하에 수행한 첫 측광 서베이로, 우리은하 1 사분면 (7◦ ≤ l ≤ 62◦,

≤ 1◦.5) 에 대해 수행된 관측 자료이다. 본 연구는 수동 검색과 자동 천체 식별 알고리즘의 상호보완적인 특성을 통해 총 204개의 IFO를 식별 해냈다. 이 식별된 IFO 대부분은 [Fe II] 1.644 μm 방출선으로 최초로 감지된 사례에 해당한다. 이들 204개 IFO 의 플럭스와 크기는 카탈로그로 제공되었다. 기존에 알려진 소스와의 위치 교차 일치를 통해 IFO의 대응 천체 분류를 추가로 수행하였으며, IFO의 대다수가 초신성 잔해, 젊은 별과 연관된 방출류, 수소 전리 영역, 행성상 성운 및 청색변광성을 기원으로 함을 발견했다. IFO를 대응 천체에 따라 분류하고 각 대응 천체에 대한 통계적 및 형태학적 특성이 논의되었다. 2부에서는 그 기원이 알려지지 않은 IFO 중에서 특별한 물리적 특성을 가진 IFO의 고해상도 근적외선 분광 후속 연구 수행 결과를 제시하였다. 1부에서 IFO 95 에 해당하는 이 IFO는 나머지 기원이 알려지지 않은 IFO들에 비해 플럭스 와 물리학적 규모가 2 자리수가 큰 측면에서 특별한 연구대상이라 할 수 있다. G25.8+0.2라는 이름으로도 알려진 이 IFO 95의 조사를 위해 본 연구는 텍사스 오스틴에 위치한 맥도널드 천문대의 J. Smith Harlan 망원경에 장착된 IGRINS 를 통해 얻은 H- 및 K- 밴드 스펙트럼을 이용하였다. 수소, 헬륨 및 [Fe II] 저이 온화 방출선으로 구성된 검출 스펙트럼을 이용하여, 소광 보정을 수행하고 공간 - 속도 2차원 평면에서의 [Fe II] / Br γ 비율값을 통해 충격파와 광이온화 된 [Fe II] 를 식별 및 구분하였다. 분광학적 연구 결과를 바탕으로, 본 연구는 G25.8+0.2 영역의 기원을 설명하기 위해 광이온화만 언급되었던 선행 연구의 보고에 추가적 으로 전파 파장대의 대응 천체를 기반으로 했을 때 Lyman 광자의 산출량, 관측된 [Fe II] 에서 도출한 여기 메커니즘에 충격파가 존재한다는 점, 그리고 선행연구 에서 보고된 연질 X선의 존재와 다파장 형태학적 특성과 같은 단서를 종합했을 때 G25.8+0.2 영역의 포괄적인 특성을 설명하기 위해 초신성 잔해 시나리오를 추가로 고려해야 할 필요성을 제시한다.