[論文レビュー] A Herschel [CII] Galactic plane survey III: [CII] as a tracer of star formation

J. L. Pineda, W. D. Langer+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2014

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 84被引用数 52

ひとこと要約

本研究は、近隣の銀河的分子雲から遠方の銀河にまで6桁のスケールにわたり、[C II]の等価放射度と星形成率（SFR）の間の普遍的なスケーリング関係を確立した。速度分解能を活用したヘーシェル[ C II ]データにより、外部銀河のSFR-[C II]勾配を再現するのは、密度の高いPDR、冷たいH I、CO非検出H₂、およびイオン化ガスの複合的放射に限られ、各相が総[ C II ]放射度の約20–30%を寄与していることが示された。

ABSTRACT

We study the relationship between the [CII] emission and the star formation rate (SFR) in the Galactic plane and separate the relationship of different ISM phases to the SFR. We compare these relationships to those in external galaxies and local clouds, allowing examinations of these relationships over a wide range of physical scales. We compare the distribution of the [CII] emission, with its different contributing ISM phases, as a function of Galactocentric distance with the SFR derived from radio continuum observations. We also compare the SFR with the surface density distribution of atomic and molecular gas, including the CO-dark H2 component. The [CII] and SFR are well correlated at Galactic scales with a relationship that is in general agreement with that found for external galaxies. By combining [CII] and SFR data points in the Galactic plane with those in external galaxies and nearby star forming regions, we find that a single scaling relationship between the [CII] luminosity and SFR applies over six orders of magnitude. The [CII] emission from different ISM phases are each correlated with the SFR, but only the combined emission shows a slope that is consistent with extragalactic observations. These ISM components have roughly comparable contributions to the Galactic [CII] luminosity: dense PDRs (30%), cold HI (25%), CO-dark H2 (25%), and ionized gas (20%). The SFR-gas surface density relationship shows a steeper slope compared to that observed in galaxies, but one that it is consistent with those seen in nearby clouds. The different slope is a result of the use of a constant CO-to-H2 conversion factor in the extragalactic studies, which in turn is related to the assumption of constant metallicity in galaxies. We find a linear correlation between the SFR surface density and that of the dense molecular gas.

研究の動機と目的

• 銀河系の銀河平面における[C II]放射と星形成との関係を明確化すること。
• 異なる星間媒体（ISM）相が[C II]放射度に与える寄与を解体し、それらがSFRとどのように相関するかを明らかにすること。
• 銀河系の[C II]-SFR関係を外部銀河および近隣の星形成雲の関係と比較すること。
• 金属量およびCOからH₂への換算係数が観測されたSFR-ガス表面密度関係に与える影響を調査すること。
• 局所的分子雲で観測されたように、銀河系の密度の高い分子ガス表面密度とSFRとの間に線形相関が存在するかどうかを特定すること。

提案手法

• ヘーシェル GOT C+調査から得られた銀河系平面の速度分解能[ C II ] 158 μm放射データを用いて、銀河系平面の放射をマッピングした。
• [ C II ]データをH I、12CO、13CO、C18O線観測と組み合わせ、異なるISM相の特定と分離を実施した。
• 1.4 GHzの電波連続放射放出を用いてSFRをマッピングした。これは、大質量星からのイオン化放射の既知の tracer である。
• ベイジアン誤差-勾配（BES）フィッティングを適用し、SFR表面密度とガス表面密度の間のスケーリング関係を導出した。
• 銀河系データを外部銀河および局所的雲データと統合し、普遍的な[C II]放射度-SFR関係を導出した。
• 体積密度および金属量の半径方向勾配を考慮することで、[C II]冷却率-SFR関係の勾配を解釈した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河系の銀河平面における[C II]放射度は、星形成率（SFR）とどのように相関するか？
• RQ2 どの星間媒体（ISM）相が総[C II]放射に最も顕著に寄与しているか。また、個々の相のSFR相関は、合成放射と比較してどのように異なるか？
• RQ3 銀河系の[C II]-SFR関係は、外部銀河で観測されたものと一致するか。一致しない場合、その差を説明する物理的要因は何か？
• RQ4 なぜ銀河系のSFR-ガス表面密度関係は、外部銀河研究と比較してより急勾配を示すのか？
• RQ5 銀河系平面において、SFR表面密度と密度の高い分子ガス表面密度との間に線形相関が存在するか？

主な発見

• 6桁のスケールにわたって、[C II]放射度とSFRの間の単一の普遍的スケーリング関係が成立し、関係式は log(SFR) = (0.89 ± 0.04) log(L_[CII]) - 36.3 ± 1.5 である。
• 個々のISM相（例：冷たいH I、CO非検出H₂、密度の高いPDR、イオン化ガス）はいずれもSFRと相関を示すが、外部銀河で観測された勾配を再現するのは、唯一、合成された[C II]放射に限られる。
• 銀河系の[C II]放射度に寄与する4つの主要なISM相は、それぞれ同等の寄与割合を示す：密度の高いPDR（30%）、冷たいH I（25%）、CO非検出H₂（25%）、イオン化ガス（20%）。
• 銀河系のSFR-ガス表面密度勾配が外部銀河研究よりも急である理由は、金属量が一定であると仮定した定数のCOからH₂への換算係数を用いていることに起因する。これは、銀河の半径方向に金属量勾配が存在することと対照的である。
• SFR表面密度と密度の高い分子ガス表面密度（C18Oで示される）との間に線形相関が確認され、これは局所的雲の研究と整合的であり、大質量星形成が密度の高いガスと密接に結びついていることを示唆している。
• [C II]冷却率は、ISMの各相においてSFRと強く相関しており、その勾配は体積密度および金属量の半径方向勾配によって支配されており、[C II]冷却が若い星からのFUV加熱とバランスを取っているという仮説を支持している。