[論文レビュー] [CII] 158$μ$m and [NII] 205$μ$m emission from IC 342 - Disentangling the emission from ionized and photo-dissociated regions

M. Röllig, R. Simon+4 more|Data Archiving and Networked Services (DANS)|Apr 25, 2016

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 38被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、IC 342の核における[C II] 158 µm放射の分解能の高いSOFIA/GREAT観測を用いて、[C II]と[N II] 205 µm線の分離を試みた。その結果、[C II]放射の70％が光電離領域（PDRs）ではなく、H II領域における電離ガス由来であることが判明し、[C II]がPDRsに支配的であるという従来の仮定に反する結果となった。運動論的解析により、拡張する双極性電離リブの存在が特定され、核の中心構造の幾何的モデルの見直しが必要であることが示された。

ABSTRACT

Aims: We investigate how much of the [CII] emission in the nucleus of the nearby spiral galaxy IC 342 is contributed by PDRs and by the ionized gas. We examine the spatial variations of starburst/PDR activity and study the correlation of the [CII] line with the [NII] 205{ extmu}m emission line coming exclusively from the HII regions. Methods: We present small maps of [CII] and [NII] lines recently observed with the GREAT receiver on board SOFIA. In particular we present a super-resolution method to derive how unresolved, kinematically correlated structures in the beam contribute to the observed line shapes. Results: We find that the emission coming from the ionized gas shows a kinematic component in addition to the general Doppler signature of the molecular gas. We interpret this as the signature of two bi-polar lobes of ionized gas expanding out of the galactic plane. We then show how this requires an adaptation of our understanding of the geometrical structure of the nucleus of IC~342. Examining the starburst activity we find ratios $I([CII])/I(^{12}\mathrm{CO} (1-0))$ between 400 and 1800 in energy units. Applying predictions from numerical models of HII and PDR regions to derive the contribution from the ionized phase to the total [CII] emission we find that 35-90% of the observed [CII] intensity stems from the ionized gas if both phases contribute. Averaged over the central few hundred parsec we find for the [CII] contribution a HII-to-PDR ratio of 70:30. Conclusions: The ionized gas in the center of IC 342 contributes more strongly to the overall [CII] emission than is commonly observed on larger scales and than is predicted. Kinematic analysis shows that the majority of the [CII] emission is related to the strong but embedded star formation in the nuclear molecular ring and only marginally emitted from the expanding bi-polar lobes of ionized gas.

研究の動機と目的

• IC 342の核領域における[C II] 158 µm放射への電離ガス（H II領域）と光分解離ガス（PDRs）の寄与を解明すること。
• 中心分子リングにおけるスターバースト活動とPDR活動の空間的変動を調査すること。
• [N II] 205 µmを電離ガスの tracer として用いて、H II領域が全[C II]放射に占める相対的寄与を特定すること。
• 特に拡張する電離ガスリブの運動論的構造が、観測された線幅関数に与える影響を評価し、IC 342の核構造の幾何的モデルの見直しが必要かどうかを検討すること。

提案手法

• SOFIAのGREAT受信機を用いて、高空間分解能および高スペクトル分解能の[C II] 158 µmおよび[N II] 205 µm線断面を取得した。
• ビーム内での運動論的に相関する構造を解像できない状態から再構築するためのスーパー解像技術を適用し、観測された線幅関数を説明した。
• 理論的[N II]–[C II]相関を用いて、観測された[C II]スペクトルからH II領域の寄与をシミュレートし、差し引いた残差PDR放射を特定した。
• 既知のコンパクトH II領域の性質をもとに、LTE条件下での光学的薄さの[C II]および[N II]放射をモデル化し、寄与を推定した。
• 観測された線形形状を、シミュレートされた解像できない運動論的成分を用いて数値的にフィッティングし、支配的発光構造を推定した。
• 微細構造線のライン中心ドップラー速度を12 CO (1-0) データと比較し、分子ガスに関連しない運動成分を特定し、電離ガスの運動を示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IC 342の核で観測された[C II] 158 µm放射のうち、どの程度が電離ガス（H II領域）由来で、どの程度が光分解離領域（PDRs）由来であるか？
• RQ2 運動論的解析により、[C II]線幅関数に現れる特徴的なドップラーシフト成分は、どのようにして拡張する双極性電離ガスリブの存在を示唆するか？
• RQ3 この環境下で、[N II] 205 µm線は[C II]放射からの電離ガス寄与を信頼性高くトレーサーとして使用できるか？
• RQ4 中心分子リングにわたる[C II]/12 CO (1-0) 線比の空間的変動は、星形成活動の差をどのように反映しているか？
• RQ5 観測された電離ガスの運動論的シグネチャを説明するため、IC 342の核構造の幾何的モデルはどの程度見直す必要があるか？

主な発見

• 中心数パーセクの領域で平均すると、IC 342の核における[C II]放射の70％が電離ガス（H II領域）由来であり、残りの30％がPDRs由来である。
• [C II]/12 CO (1-0) 線比は空間的に400から1800のエネルギー単位の範囲で変動し、星形成活動の強い空間的変動を示しており、最大値は南西領域に見られる。
• 運動論的解析により、COでは観測されない[C II]線幅関数に明確なドップラーシフト成分が存在し、銀河平面の上部および下部に位置する拡張する双極性電離ガスリブであると解釈された。
• [N II] 205 µm線は[C II]放射からのH II領域寄与と強く相関しており、そのトレーサーとしての有効性が確認された。差し引いた残差[C II]から、異なる位置でPDR寄与が24–58％であると示された。
• マップの北側では、残差[C II]のライン幅がCOと一致するが、南側では30–40％広がっており、強い星形成活動に起因するより乱流的かつクラスタ型のPDRsであることが示唆された。
• LTE条件下での光学的薄さの放射モデル化により、既知のコンパクトH II領域が観測された[C II]強度の約66％を占めていることが示され、他の手法と整合的であった。