[論文レビュー] 13CO(J=1-0) Depression in Luminous Starburst Mergers, Revisited

Yoshiaki Taniguchi, Youichi Ohyama+1 more|ArXiv.org|Apr 6, 1999

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 22被引用数 18

ひとこと要約

本研究では、明るい星形成合体銀河における12CO(1–0)/13CO(1–0)線強度比の上昇（R1-0 > 20）の原因を、同位体組成の違いではなく、励起効果や光学的厚さ効果に起因するのかを調査する。より高いJのCO遷移（J=2–1）を用いた分析により、13CO(2–1)も12CO(2–1)に対して同様に抑制されていることが判明し、これは同位体の不足が最も妥当な説明であることを示唆している。ただし、スーパーウインドに起因するガス塊の破壊も否定できない。

ABSTRACT

It is known that merging galaxies with luminous starbursts and high far-infrared luminosities tend to have higher $R_{1-0} =^{12}CO(J=1-0)/^{13}CO(J=1-0)$ integrated line intensity ratios ($R_{1-0} \simeq 20-50$) than normal spiral galaxies ($R_{1-0} \simeq 5-15$). Comparing far-infrared luminosities [L(FIR)] with those of ^{12}CO(J=1-0) and ^{13}CO(J=1-0) for a sample of normal and starburst galaxies, Taniguchi & Ohyama found that the observed high $R_{1-0}$ values for the luminous starburst mergers are attributed to their lower ^{13}CO line intensities by a factor of 3 on the average. They suggested the following two possibilities; in the luminous starburst mergers, 1) ^{13}CO is underabundant with respect to ^{12}CO, or 2) exitation and/or optical depth effects are responsible for the change in $R_{1-0}$. In this paper, we investigate the second possibility using higher transition data of both ^{12}CO and ^{13}CO emission lines. Applying the same method proposed by Taniguchi & Ohyama to both ^{12}CO(J=2-1) and ^{13}CO(J=2-1), we find that ^{13}CO(J=2-1) is also depressed with respect to ^{12}CO(J=2-1). This suggests that the ^{13}CO gas may be underabundant in the high-$R_{1-0}$ starburst mergers although we cannot rule out the possibility that excitation and optical depth effects are still affecting $R_{2-1}$, for example due to the large velocity widths in the CO emission lines. Additional observations of both ^{12}CO and ^{13}CO lines at $J \geq 3$ are required to better constrain the conditions of the molecular gas in luminous starburst galaxies.

研究の動機と目的

• 明るい星形成合体銀河における高い12CO(1–0)/13CO(1–0)線強度比（R1-0 > 20）が、同位体組成の違いではなく、励起効果や光学的厚さ効果に起因するかどうかを特定すること。
• 13CO線放出が高R1-0系で抑制されているという仮説を、より高い遷移CO線（J=2–1）の分析により検証すること。
• 星形成銀河、特にダスト温度と星形成効率との関連において、12COと13COの励起状態に顕著な差があるかどうかを評価すること。
• 形態的および分光的証拠に基づき、スーパーウインドが密度の高いガス塊を破壊し、13CO放出を減少させる役割を果たしているかどうかを評価すること。
• 今後の高J CO線観測（J ≥ 3）の必要性を特定すること、これにより13COの低下の物理的起源を解明できる。

提案手法

• 24個の銀河（明るい星形成合体銀河を含む）について、文献からの12CO(2–1)および13CO(2–1)の積分線強度を収集（Aalto et al. 1995; Casoli et al. 1992b）。
• 12CO(2–1)/13CO(2–1)強度比（R2-1）を計算し、R1-0と比較することで、異なる遷移において13COの抑制が一貫しているかを評価した。
• FIR放射率（L(FIR）はIRAS 60および100 μmのフラックスから算出し、補正済みアンテナ温度とビーム効率を用いてCO放射率（L(CO)）を導出した。
• R2-1およびR1-0をダスト温度の代理指標（S(60)/S(100)）および星形成効率（L(FIR)/L(CO)）と相関させ、物理的傾向を検証した。
• 12CO（J=2–1）/12CO（J=1–0）および13CO（J=2–1）/13CO（J=1–0）の放射率比を評価し、同位体間の励起差を検討した。
• 形態的および分光的証拠に基づき、既知のアウトフローを示す高R1-0銀河と照合することで、スーパーウインドの役割を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 明るい星形成合体銀河における観測された13CO(1–0)の低下は、励起効果や光学的厚さ効果に起因するのか、それとも同位体不足によるものなのか？
• RQ2 高R1-0銀河において、13CO(2–1)線も12CO(2–1)線に対して抑制されているか？ これは、異なる遷移で一貫した物理的メカニズムが作用していることを示唆する。
• RQ3 R1-0およびR2-1とダスト温度（S(60)/S(100)）との間に相関があるか？ これはガスの運動温度と関連している可能性を示唆する。
• RQ4 高R1-0銀河と通常の銀河との間で、L(12CO J=2–1)/L(12CO J=1–0)およびL(13CO J=2–1)/L(13CO J=1–0)の励起比に顕著な差があるか？
• RQ5 スーパーウインド活動が、密度の高いガス塊の破壊によって13COの低下を引き起こしていると説明できるか？

主な発見

• 明るい星形成合体銀河においても、12CO(2–1)/13CO(2–1)強度比（R2-1）は高く、通常20を超える。これは、J=1–0およびJ=2–1の両遷移で13COの抑制が一貫していることを示している。
• 高R1-0銀河におけるL(13CO J=2–1)/L(13CO J=1–0)の平均比は1.15 ± 0.71であり、13COのJ=1–0とJ=2–1の間で顕著な励起差がないことが示され、励起効果が主因でないことを裏付けている。
• R1-0またはR2-1とL(FIR)/L(CO)比との間に有意な相関は認められず、星形成効率が高R値を直接説明しているとは考えられない。
• R1-0およびR2-1はダスト温度（S(60)/S(100)）の上昇に伴って傾向的に増加するが、明確な相関はなく、ガスの運動温度と関連する可能性はありつつも、間接的である。
• M82の核における13CO(3–2)/12CO(3–2)比は高R3-2と整合的であるが、beamの不一致のため信頼性に欠け、今後の高J COデータが必要である。
• 研究者らは、13COの同位体不足が最も妥当な説明であると結論づけるが、スーパーウインドに起因する密度の高いガス塊の破壊も代替説として成立しており、高J CO観測による確認が不可欠である。