[論文レビュー] A Herschel [CII] Galactic plane survey I: the global distribution of ISM gas components

J. L. Pineda, W. D. Langer+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2013

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 78被引用数 140

ひとこと要約

本研究では、ハーシェル/HIFIを用いて銀河平面全域における[C II] 158 μm放射の速度分解済み経度・速度マップを初めて取得し、星間媒体（ISM）成分の分離を可能にした。その結果、[C II]放射の47%が密度の高い光子支配領域（PDR）由来であり、CO非検出H₂が銀 Milky Way の分子ガス質量の30%を占め、銀心距離が増加するにつれて支配的になることが明らかになった。

ABSTRACT

[Abridged] The [CII] 158um line is an important tool for understanding the life cycle of interstellar matter. Ionized carbon is present in a variety of phases of the interstellar medium, including the diffuse ionized medium, warm and cold atomic clouds, clouds in transition from atomic to molecular, and dense and warm photon dominated regions (PDRs). The Galactic Observations of Terahertz C+ (GOTC+) project surveys the [CII] line over the entire Galactic disk with velocity-resolved observations using the Herschel/HIFI instrument. We present the first longitude-velocity maps of the [CII] emission for Galactic latitudes b=0deg, +-0.5deg, and +-1.0deg. [CII] emission is mostly associated with spiral arms, mainly emerging from Galactocentric distances between 4 and 10 kpc. We estimate that most of the observed [CII] emission is produced by dense PDRs (47%), with smaller contributions from CO-dark H2 gas (28%), cold atomic gas (21%), and ionized gas (4%). Atomic gas inside the Solar radius is mostly in the form of cold neutral medium (CNM), while the warm neutral medium (WNM) gas dominates the outer galaxy. The average fraction of CNM relative to total atomic gas is 43%. We find that the warm and diffuse CO-dark H2 is distributed over a larger range of Galactocentric distances (4-11 kpc) than the cold and dense H2 gas traced by 12CO and 13CO (4-8kpc). The fraction of CO-dark H2 to total H2 increases with Galactocentric distance, ranging from 20% at 4 kpc to 80% at 10 kpc. On average, CO-dark H2 accounts for 30% of the molecular mass of the Milky Way. When the CO-dark H2 component is included, the radial distribution of the CO-to-H2 conversion factor is steeper than that when only molecular gas traced by CO is considered. Most of the observed [CII] emission emerging from dense PDRs is associated with modest far-ultraviolet fields in the range chi0~1-30.

研究の動機と目的

• 銀河平面全域における速度分解済み[ C II ] 158 μm放射を用いた、星間ガス成分のグローバル分布のマッピング。
• 視線方向における異なるISM相（電離ガス、冷・温い原子ガス、CO非検出H₂、分子ガス）の寄与を分離すること。
• CO非検出H₂の径方向分布を定量化し、CO-からH₂への換算係数への影響を評価すること。
• 観測された線幅比を用いて、[ C II ] およびCOで示される領域における遠紫外放射場強度（χ₀）を推定すること。
• CO非検出H₂を全H₂予算に組み込むことで、分子ガス質量推定の精度を向上させること。

提案手法

• ハーシェル/HIFIを用いて、銀緯b = 0°、±0.5°、±1.0°における速度分解済み[ C II ] 158 μm放射マップを取得した。
• H i 21 cm、12 CO、13 CO線データと[ C II ]データを統合し、速度および空間的分解を用いてISM成分を分離した。
• [ C II ]/12 CO強度比を用いて、密度の高いPDRにおける遠紫外放射場（χ₀）を推定し、PDRモデル予測と比較した。
• 複数成分分解を適用して、冷中性媒体（CNM）、温中性媒体（WNM）、CO非検出H₂からの寄与を分離した。
• CO非検出H₂を含む・含まない両方の状況でCO-からH₂への換算係数（X_CO）を計算し、その径方向依存性を評価した。
• PDRモデル（Kaufman et al. 1999）を用いて、観測された[ C II ]/12 CO比をH₂体積密度およびχ₀の観点から解釈した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河平面全域における[ C II ]放射の空間的・速度的分布はどのように分布しており、異なるISM成分をどのようにトレースするか？
• RQ2 全[ C II ]放射のうち、密度の高いPDR、CO非検出H₂、冷原子ガス、電離ガスからの寄与割合はそれぞれどれくらいか？
• RQ3 CO非検出H₂の分布は銀心距離とともにどのように変化するか？また、その割合は銀 Milky Way の分子ガス質量の何パーセントを占めるか？
• RQ4 CO非検出H₂を含めることで、CO-からH₂への換算係数の径方向傾向にどのような影響が生じるか？
• RQ5 密度の高いPDRにおける[ C II ]放射に関連する典型的な遠紫外放射場（χ₀）はどの程度か？

主な発見

• [ C II ]放射の大部分（47%）は密度の高い光子支配領域（PDR）由来であり、CO非検出H₂（28%）、冷原子ガス（21%）、電離ガス（4%）からの寄与も顕著である。
• CO非検出H₂は、銀 Milky Way の全分子ガス質量のおよそ30%を占め、銀心距離が4 kpcで約20%、10 kpcで約80%に増加する。
• 温く広がったCO非検出H₂は、冷たく密度の高いH₂（12 COおよび13 COで示される）よりも広い径方向範囲（4–11 kpc）にわたり分布している。
• CO-からH₂への換算係数は銀心距離とともに増加し、CO非検出H₂を含めると勾配が急になる。これは金属量および熱的圧力勾配の両方の影響を反映している。
• [ C II ]/12 CO比から、密度の高いPDRからの[ C II ]放射は、主に中程度の遠紫外放射場（χ₀ ≈ 1–30）下で発生しており、銀心距離に依存しない。
• 太陽系の半径内（R < 8 kpc）では、冷中性媒体（CNM）が原子ガスの43%を占め、外銀河部では温中性媒体（WNM）が支配的である。