We are performing a uniform and unbiased, ~7x7 degrees imaging survey of the Large Magellanic Cloud (LMC), using the IRAC and MIPS instruments on board the Spitzer Space Telescope in order to survey the agents of a galaxy's evolution (SAGE), the interstellar medium (ISM) and stars in the LMC. The detection of diffuse ISM with column densities >1.2x10^21 H cm^-2 permits detailed studies of dust processes in the ISM. SAGE's point source sensitivity enables a complete census of newly formed stars with masses >3 solar masses that will determine the current star formation rate in the LMC. SAGE's detection of evolved stars with mass loss rates >1x10^-8 solar masses per year will quantify the rate at which evolved stars inject mass into the ISM of the LMC. The observing strategy includes two epochs in 2005, separated by three months, that both mitigate instrumental artifacts and constrain source variability. The SAGE data are non-proprietary. The data processing includes IRAC and MIPS pipelines and a database for mining the point source catalogs, which will be released to the community in support of Spitzer proposal cycles 4 and 5. We present initial results on the epoch 1 data with a special focus on the N79 and N83 region. The SAGE epoch 1 point source catalog has ~4 million sources. The point source counts are highest for the IRAC 3.6 microns band and decrease dramatically towards longer wavelengths consistent with the fact that stars dominate the point source catalogs and that the dusty objects, e.g. young stellar objects and dusty evolved stars that detected at the longer wavelengths, are rare in comparison. We outline a strategy for identifying foreground MW stars, that may comprise as much as 18% of the source list, and background galaxies, that may comprise ~12% of the source list.

view Abstract Citations (707) References (104) Co-Reads Similar Papers Volume Content Graphics Metrics Export Citation NASA/ADS Synthetic Properties of Starburst Galaxies Leitherer, Claus ; Heckman, Timothy M. Abstract We present the results of an extensive grid of evolutionary synthesis models for populations of massive stars. The parameter space has been chosen to correspond to conditions typically found in objects like giant H II regions, H II galaxies, blue compact dwarf galaxies, nuclear starbursts, and infrared luminous starburst galaxies. The models are based on the most up-to-date input physics for the theory of stellar atmospheres, stellar winds, and stellar evolution. Observable properties of a population of stars are computed for the two limiting cases of an instantaneous burst and a constant star- formation rate over a time interval of 3 x 10^8^ yr. We also investigate the effects of starformation histories which are intermediate between those two extreme cases. Three choices of the initial mass functions are studied: a Salpeter and a Miller-Scalo type IMF with upper mass limits of 100 M_sun_, and a Salpeter IMF truncated at 30 M_sun_. Metallicities of 0.1 Z_sun_, 0.25 Z_sun_, Z_sun_, and 2 Z_sun_ are considered. The model predictions include the numbers of hot stars, supernova rates, colors in the UBVRIJHKL passbands, slopes of the ultraviolet continuum observable by IUE, HST, and HUT, equivalent widths of hydrogen recombination lines, ionizing fluxes shortward of the H^0^, He^0^, and He^+^ ionization edges, the Lyman discontinuity, and mass- and energy- deposition rates due to stellar winds and supernovae. We discuss the contamination of the stellar ultraviolet, optical, and near-infrared continuum by nebular emission. It is found that under typical starburst conditions the nebular continuum is not negligible. Depending on the wavelength, addition of the nebular continuum leads to significantly redder or bluer broadband colors than obtained from a pure stellar continuum. A population of massive stars is not only important in terms of its output of radiation but also via its deposition of mechanical energy. The output of radiative and mechanical luminosity is compared at various starburst epochs. In a supernova dominated instantaneous starburst, the mechanical luminosity can be as large as almost 10% of the total radiative luminosity. This occurs when most massive O stars have disappeared, and the synthetic spectrum in the optical and near- ultraviolet is dominated by B and A stars. During this epoch, the output of ionizing radiation below 912 A becomes very small, as indicated by a very large Lyman discontinuity and a very small ratio of ionizing over mechanical luminosity. We discuss the relevance of these results for the interpretation of starburst galaxies, active galactic nuclei, and the energetics of the interstellar medium. Publication: The Astrophysical Journal Supplement Series Pub Date: January 1995 DOI: 10.1086/192112 Bibcode: 1995ApJS...96....9L Keywords: Compact Galaxies; Galactic Evolution; H Ii Regions; Massive Stars; Star Formation; Starburst Galaxies; Stellar Models; Lyman Spectra; Stellar Luminosity; Supernovae; Astrophysics; GALAXIES: EVOLUTION; GALAXIES: FUNDAMENTAL PARAMETERS; GALAXIES: STARBURST; GALAXIES: STELLAR CONTENT full text sources ADS |

The Wide Field Planetary Camera 2 of the Hubble Space Telescope has been used to obtain high-resolution images of NGC 4038/4039 that go roughly 3 mag deeper in V than previous observations made during cycle 2. These new images allow us to measure the luminosity functions (LFs) of clusters and stars over a range of 8 mag (-14 < MV < -6). To first order, the LF is a power law, with exponent α = -2.12 ± 0.04. However, using a variety of different techniques to decouple the cluster and stellar LFs, which overlap in the range -9 ≲ MV ≲ -6, we find an apparent bend in the young cluster LF at approximately MV = -10.4. Brightward of this magnitude the LF has a power-law exponent α = -2.6 ± 0.2, while faintward the slope is α = -1.7 ± 0.2. The bend corresponds to a mass ≈ 1 × 105 M⊙, only slightly lower than the characteristic mass of globular clusters in the Milky Way (≈2 × 105 M⊙). It is currently not feasible to determine the cluster LF fainter than MV ≈ -8, where individual stars are likely to dominate. The stellar LF in the range -9 < MV < -6 is much steeper, with α = -2.9 ± 0.1, and is dominated by young red and blue supergiants. The star clusters of the Antennae appear slightly resolved, with median effective radii of 4 ± 1 pc, similar to or perhaps slightly larger than those of globular clusters in our Galaxy. However, the radial extents of some of the very young clusters (ages less than 10 Myr) are much larger than those of old globular clusters (e.g., the outer radius of knot S exceeds 450 pc). This may indicate that the tidal forces from the galaxies have not had time to remove some of the outer stars from the young clusters. A combination of the UBVI colors, Hα morphology, and Goddard High Resolution Spectrograph (GHRS) spectra enables us to age date the clusters in different regions of the Antennae. Star clusters around the edge of the dust overlap region appear to be the youngest, with ages ≲5 Myr, while clusters in the western loop appear to be 5–10 Myr old. Many star clusters in the northeastern star formation region appear to be ∼100 Myr old, with an LF in V that has shifted faintward by ∼1.0 mag relative to the younger (0–20 Myr) clusters that dominate over most of the rest of the galaxy. A third cluster population consists of intermediate-age clusters (∼500 Myr) that probably formed during the initial encounter responsible for ejecting the tails. A handful of old globular clusters from the progenitor galaxies are also identified. Most of these lie around NGC 4039, where the lower background facilitates their detection. Age estimates derived from GHRS spectroscopy yield 3 ± 1 Myr for knot K (just south of the nucleus of NGC 4038) and 7 ± 1 Myr for knot S in the western loop, in good agreement with ages derived from the UBVI colors. Effective gas outflow velocities from knots S and K are estimated to be about 25–30 km s-1, based on the above cluster ages and the sizes of the surrounding Hα bubbles. However, the measured widths of the interstellar absorption lines suggest dispersion velocities of ∼400 km s-1 along the lines of sight to knots S and K.

The Cosmic Origins Spectrograph (COS) is a moderate-resolution spectrograph with unprecedented sensitivity that was installed into the Hubble Space Telescope (HST) in May 2009, during HST Servicing Mission 4 (STS-125). We present the design philosophy and summarize the key characteristics of the instrument that will be of interest to potential observers. For faint targets, with flux F_lambda ~ 1.0E10-14 ergs/s/cm2/Angstrom, COS can achieve comparable signal to noise (when compared to STIS echelle modes) in 1-2% of the observing time. This has led to a significant increase in the total data volume and data quality available to the community. For example, in the first 20 months of science operation (September 2009 - June 2011) the cumulative redshift pathlength of extragalactic sight lines sampled by COS is 9 times that sampled at moderate resolution in 19 previous years of Hubble observations. COS programs have observed 214 distinct lines of sight suitable for study of the intergalactic medium as of June 2011. COS has measured, for the first time with high reliability, broad Lya absorbers and Ne VIII in the intergalactic medium, and observed the HeII reionization epoch along multiple sightlines. COS has detected the first CO emission and absorption in the UV spectra of low-mass circumstellar disks at the epoch of giant planet formation, and detected multiple ionization states of metals in extra-solar planetary atmospheres. In the coming years, COS will continue its census of intergalactic gas, probe galactic and cosmic structure, and explore physics in our solar system and Galaxy.

Far-ultraviolet to far-infrared images of the nearby galaxy NGC 5194 (M51a), from a combination of space-based (Spitzer, GALEX, and Hubble Space Telescope) and ground-based data, are used to investigate local and global star formation and the impact of dust extinction. The Spitzer data provide unprecedented spatial detail in the infrared, down to sizes ~500 pc at the distance of NGC 5194. The multiwavelength set is used to trace the relatively young stellar populations, the ionized gas, and the dust absorption and emission in H II-emitting knots, over 3 orders of magnitude in wavelength range. As is common in spiral galaxies, dust extinction is high in the center of the galaxy (AV ~ 3.5 mag), but its mean value decreases steadily as a function of galactocentric distance, as derived from both gas emission and stellar continuum properties. In the IR/UV-UV color plane, the NGC 5194 H II knots show the same trend observed for normal star-forming galaxies, having a much larger dispersion (~1 dex peak to peak) than starburst galaxies. We identify the dispersion as due to the UV emission predominantly tracing the evolved, nonionizing stellar population, up to ages ~50-100 Myr. While in starbursts the UV light traces the current star formation rate (SFR), in NGC 5194 it traces a combination of current and recent past SFRs. Possibly, mechanical feedback from supernovae is less effective at removing dust and gas from the star formation volume in normal star-forming galaxies than in starbursts because of the typically lower SFR densities in the former. The application of the starburst opacity curve for recovering the intrinsic UV emission (and deriving SFRs) in local and distant galaxies appears therefore appropriate only for SFR densities ≳1 M☉ yr-1 kpc-2. Unlike the UV emission, the monochromatic 24 μm luminosity is an accurate local SFR tracer for the H II knots in NGC 5194, with a peak-to-peak dispersion of less than a factor of 3 relative to hydrogen emission line tracers; this suggests that the 24 μm emission carriers are mainly heated by the young, ionizing stars. However, preliminary results show that the ratio of the 24 μm emission to the SFR varies by a factor of a few from galaxy to galaxy; this variation needs to be understood and carefully quantified before the 24 μm luminosity can be used as an SFR tracer for galaxy populations. While also correlated with star formation, the 8 μm emission is not directly proportional to the number of ionizing photons; it is overluminous, by up to a factor of ~2, relative to the galaxy's average in weakly ionized regions and is underluminous, by up to a factor of ~3, in strongly ionized regions. This confirms earlier suggestions that the carriers of the 8 μm emission are heated by more than one mechanism.

We use the chemical evolution predictions of cosmological hydrodynamic simulations with our latest theoretical stellar population synthesis, photoionization, and shock models to predict the strong line evolution of ensembles of galaxies from z = 3 to the present day. In this paper, we focus on the brightest optical emission-line ratios, [N ii]/Hα and [O iii]/Hβ. We use the optical diagnostic Baldwin–Phillips–Terlevich (BPT) diagram as a tool for investigating the spectral properties of ensembles of active galaxies. We use four redshift windows chosen to exploit new near-infrared multi-object spectrographs. We predict how the BPT diagram will appear in these four redshift windows given different sets of assumptions. We show that the position of star-forming galaxies on the BPT diagram traces the interstellar medium conditions and radiation field in galaxies at a given redshift. Galaxies containing active galactic nucleus (AGN) form a mixing sequence with purely star-forming galaxies. This mixing sequence may change dramatically with cosmic time, due to the metallicity sensitivity of the optical emission-lines. Furthermore, the position of the mixing sequence may probe metallicity gradients in galaxies as a function of redshift, depending on the size of the AGN narrow-line region. We apply our latest slow shock models for gas shocked by galactic-scale winds. We show that at high redshift, galactic wind shocks are clearly separated from AGN in line ratio space. Instead, shocks from galactic winds mimic high metallicity starburst galaxies. We discuss our models in the context of future large near-infrared spectroscopic surveys.

We present a new set of synthesis models for stellar populations obtained with Starburst99, which are based on new stellar evolutionary tracks with rotation. We discuss models with zero rotation velocity and with velocities of 40% of the break-up velocity on the zero-age main-sequence. These values are expected to bracket realistic rotation velocity distributions in stellar populations. The new rotating models for massive stars are more luminous and hotter due to a larger convective core and enhanced surface abundances. This results in pronounced changes in the integrated spectral energy distribution of a population containing massive stars. The changes are most significant at the shortest wavelengths where an increase of the ionizing luminosity by up to a factor of 5 is predicted. We also show that high equivalent widths of recombination lines may not necessarily indicate a very young age but can be achieved at ages as late as 10 Myr. Comparison of these two boundary cases (0 and 40% of the break-up velocity) will allow users to evaluate the effects of rotation and provide guidance for calibrating the stellar evolution models. We also introduce a new theoretical ultraviolet spectral library built from the Potsdam Wolf-Rayet (PoWR) atmospheres. Its purpose is to help identify signatures of Wolf-Rayet stars in the ultraviolet whose strength is sensitive to the particulars of the evolution models. The new models are available for solar and 1/7th solar metallicities. A complete suite of models can be generated on the Starburst99 website (www.stsci.edu/science/starburst99/). The updated Starburst99 package can be retrieved from this website as well.

The ultraviolet-to-radio continuum spectral energy distributions are presented for all 75 galaxies in the Spitzer Infrared Nearby Galaxies Survey (SINGS). A principal component analysis of the sample shows that most of the sample's spectral variations stem from two underlying components, one representative of a galaxy with a low infrared-to-ultraviolet ratio and one representative of a galaxy with a high infrared-to-ultraviolet ratio. The influence of several parameters on the infrared-to-ultraviolet ratio is studied (e.g., optical morphology, disk inclination, far-infrared color, ultraviolet spectral slope, and star formation history). Consistent with our understanding of normal star-forming galaxies, the SINGS sample of galaxies in comparison to more actively star-forming galaxies exhibits a larger dispersion in the infrared-to-ultraviolet versus ultraviolet spectral slope correlation. Early-type galaxies, exhibiting low star formation rates and high optical surface brightnesses, have the most discrepant infrared-to-ultraviolet correlation. These results suggest that the star formation history may be the dominant regulator of the broadband spectral variations between galaxies. Finally, a new discovery shows that the 24 μm morphology can be a useful tool for parameterizing the global dust temperature and ultraviolet extinction in nearby galaxies. The dust emission in dwarf/irregular galaxies is clumpy and warm accompanied by low ultraviolet extinction, while in spiral galaxies there is typically a much larger diffuse component of cooler dust and average ultraviolet extinction. For galaxies with nuclear 24 μm emission, the dust temperature and ultraviolet extinction are relatively high compared to disk galaxies.

Using ultra-violet absorption-lines, we analyze the systematic properties of the warm ionized phase of starburst-driven winds in a sample of 39 low-redshift objects that spans broad ranges in starburst and galaxy properties. Total column densities for the outflows are $\sim$10$^{21}$ cm$^{-2}$. The outflow velocity (v$_{out}$) correlates only weakly with the galaxy stellar mass (M$_*$), or circular velocity (v$_{cir}$), but strongly with both SFR and SFR/area. The normalized outflow velocity (v$_{out}/v_{cir}$) correlates well with both SFR/area and SFR/M$_*$. The estimated outflow rates of warm ionized gas ($\dot{M}$) are $\sim$ 1 to 4 times the SFR, and the ratio $\dot{M}/SFR$ does not correlate with v$_{out}$. We show that a model of a population of clouds accelerated by the combined forces of gravity and the momentum flux from the starburst matches the data. We find a threshold value for the ratio of the momentum flux supplied by the starburst to the critical momentum flux needed for the wind to overcome gravity acting on the clouds ($R_{crit}$). For $R_{crit} >$ 10 (strong-outflows) the outflow momentum flux is similar to the total momentum flux from the starburst and the outflow velocity exceeds the galaxy escape velocity. Neither is the case for the weak-outflows ($R_{crit} <$ 10). For the weak-outflows, the data severely disagree with many prescriptions in numerical simulations or semi-analytic models of galaxy evolution. The agreement is better for the strong-outflows, and we advocate the use of $R_{crit}$ to guide future prescriptions.

Abstract To study the chemical evolution across cosmic epochs, we investigate Ne, S, Cl, and Ar abundance patterns in the Cosmic Origins Spectrograph Legacy Archive Spectroscopic SurveY (CLASSY). CLASSY comprises local star-forming galaxies (SFGs; 0.02 < z < 0.18) with enhanced star formation rates, making them strong analogues to high- z SFGs. With direct measurements of electron temperature, we derive accurate ionic abundances for all elements and assess ionization correction factors (ICFs) to account for unseen ions and derive total abundances. We find Ne/O, S/O, Cl/O, and Ar/O exhibit constant trends with gas-phase metallicity for 12+log(O/H) < 8.5 but significant correlation for Ne/O and Ar/O with metallicity for 12+log(O/H) > 8.5, likely due to ICFs. Thus, the applicability of the ICFs to integrated spectra of galaxies could bias results, underestimating true abundance ratios. Using CLASSY as a local reference, we assess the evolution of Ne/O, S/O, and Ar/O in galaxies at z > 3, finding no cosmic evolution of Ne/O, while the lack of direct abundance determinations for S/O and Ar/O can bias the interpretation of the evolution of these elements. We determine the fundamental metallicity relationship (FMR) for CLASSY and compare to the high-redshift FMR, finding no evolution. Finally, we perform the first mass–neon relationship analysis across cosmic epochs, finding a slight evolution to high Ne at later epochs. The robust abundance patterns of CLASSY galaxies and their broad range of physical properties provide essential benchmarks for interpreting the chemical enrichment of the early galaxies observed with the JWST.