[論文レビュー] Dense gas in nearby galaxies XIII. CO submillimeter line emission from the starburst galaxy M82

R. Q. Mao, C. Henkel+6 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2000

Spectroscopy and Laser Applications被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、M82の星形成爆発核におけるサブミリメートルおよびミリメートル波長のCO遷移をマッピングし、明確に非対称な2つのラボが存在することを明らかにした。PDRモデルを用いることで、高密度クラウドではなく、散らかったUV放射にさらされた分子ガスがCO放射を支配していることが示され、12CO/13CO比の高さとLVGモデルにおける矛盾を解消した。

ABSTRACT

12CO 1-0,2-1,4-3,7-6, and 13CO 1-0, 2-1, and 3-2 line was mapped with angular resolutions of 13" - 22" toward the nuclear region of starburst galaxy M82. The difference of lobe spacings in submillimeter (~15") and millimeter (~26") lines indicates the presence of a `low' and a `high' CO excitation component. An LVG excitation analysis of the submillimeter lines leads to inconsistencies, since area and volume filling factors are almost the same, resulting in cloud sizes along the lines-of-sight that match the entire size of the M82 starburst region. Nevertheless, LVG column densities agree with estimates derived from the dust emission in the far infrared and at submillimeter wavelengths. Accounting for high UV fluxes and variations in kinetic temperature and assuming that the observed emission arises from photon dominated regions (PDRs) resolves the problems related to an LVG treatment of the radiative transfer. 12CO/13CO line intensity ratios > 10 indicate that the bulk of the CO emission arises in UV-illuminated diffuse cloud fragments of small column density and sub-parsec cloud sizes with area filling factors >> 1. Thus CO arises from quite a different gas component than the classical high density tracers. The dominance of such a diffuse molecular interclump medium also explains observed high [CI}/CO line intensity ratios. PDR models do not allow a determination of the relative abundances of 12CO to 13CO. Ignoring magnetic fields, the CO gas appears to be close to the density limit for tidal disruption. A warm diffuse ISM not only dominates the CO emission in the starburst region of M82 but is also ubiquitous in the central region of our Galaxy, where tidal stress, cloud-cloud collisions, shocks, high gas pressure, and high stellar densities may all contribute to the formation of a highly fragmented molecular debris.

研究の動機と目的

• 高解像度CO線マッピングを用いて、M82の核周辺星形成領域における分子ガスの励起状態と分布を特徴づける。
• 特にフィルリング因子とクラウドサイズに関する不一致を示す、サブミリメートルCO遷移の大型速度勾配（LVG）モデルの不整合を解消する。
• 標準的なLVG仮定と比較して、光子支配領域（PDRs）が観測されたCO線比をよりよく説明できるかどうかを検証する。
• M82中心星形成領域における分子ガスの物理的状態（密度、温度、吸収量）を評価する。
• 高密度12CO/13CO強度比と[C I]/CO線比を説明するための散らかった分子ガスの役割を調査する。

提案手法

• HHTおよびIRAM 30-m電波望遠鏡を用いて、CO J=1–0, 2–1, 4–3, 7–6および13CO J=1–0, 2–1, 3–2遷移をマッピングし、空間分解能13′′–22′′を達成した。
• サブミリメートルCO線に対して大型速度勾配（LVG）モデルを適用し、吸収量密度やフィルリング因子を含む励起状態を推定した。
• UV放射にさらされた散らかった分子ガスにおける放射伝達を模擬するため、PDRモデルを用い、力学的温度、UV放射フラックス、密度構造を考慮した。
• 観測された12CO/13CO強度比とモデル予測を比較し、クラウドの吸収量密度とフィルリング因子を推定した。
• 赤外線ポンピング（約4.7 μm）による放射ポンピング効果を評価し、衝突励起率と比較した。
• 磁界を無視して、潮汐力による安定性を重力的束縛基準で評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M82におけるサブミリメートルCO遷移のLVGモデルは、星形成爆発領域全体にわたって一貫性のないフィルリング因子とクラウドサイズを示すが、その理由は何か？
• RQ2 光子支配領域（PDR）モデルは、LVG解析における不整合を解消し、観測されたCO線比をよりよく説明できるか？
• RQ3 M82の星形成コアで支配的CO放射を担う分子ガスの物理的状態（密度、温度、吸収量）はどのようなものか？
• RQ4 なぜM82では12CO/13CO強度比が10より著しく大きいのか？これは発光ガスの性質に何を示唆するか？
• RQ5 M82の観測CO放射は、高密度クラウドによるものか、それとも散らかった、断片的な間隔の分子ガス媒体によるものか？

主な発見

• サブミリメートルCO線（J=4–3, 7–6）は約15′′のラボ間隔を示し、ミリメートル線（J=2–1, 1–0）は約26′′の間隔を示しており、高励起と低励起の2つの異なる励起成分が存在することを示している。
• LVGモデリングでは一貫性のない結果が得られ、面積および体積フィルリング因子がほぼ同一であり、クラウドサイズが星形成爆発領域全体（約300 pc）に一致していることを示唆している。
• PDRモデルはLVGの不整合を解消し、CO放射が小スケール（サブパーセク級）のクラウドを有する散らかったUV放射にさらされた媒体から生じることを示している。この場合、面積フィルリング因子は1より著しく大きい。
• M82の星形成爆発領域における全分子質量は約数×10⁸ M☉であり、22′′ビーム平均CO吸収量密度N(CO) ~5×10¹⁸ cm⁻²およびH₂吸収量密度N(H₂) ~10²³ cm⁻²である。
• 12CO/13CO強度比が10より大きいことは、CO放射の大部分が高密度クラウドではなく、低吸収量密度のガス断片（N(H₂) ~5×10²⁰ cm⁻² / km s⁻¹）から来ていることを示している。
• CO放射ガスは潮汐破壊密度限界に近い状態にあり、n(H₂) ~10³.⁷ cm⁻³（高励起）および~10³ cm⁻³（低励起）であり、高い圧力と乱流によって安定化されている可能性がある。