[論文レビュー] Dense gas in nearby galaxies: XV. Hot ammonia in NGC253, Maffei2 and IC342

R. Mauersberger, C. Henkel+3 more|ArXiv.org|Mar 12, 2003

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 49被引用数 38

ひとこと要約

本研究では、NGC 253、Maffei 2、IC 342の中心領域において、(J,K) = (9,9)遷移に達するまで高エネルギー状態のアンモニア（NH₃）反転線を検出しており、100–140 Kの温かい分子ガス成分に加え、IC 342では400 Kを超えるものも含まれる。これらの結果から、NH₃の全般的な濃度は約10⁻⁸、温かい相では約10⁻⁷であり、密度が高く遮蔽されたガスにおけるショック駆動化学および固体粒子表面の氷被膜の蒸発と整合的である。一方、M 82では温かいNH₃が検出されないのは、光分解領域（PDR）による加熱と複雑分子の破壊が支配的であるためである。

ABSTRACT

The detection of NH3 inversion lines up to the (J,K)=(6,6) level is reported toward the central regions of the nearby galaxies NGC253, Maffei2, and IC342. The observed lines are up to 406K (for (J,K)=(6,6)) and 848K (for the (9,9) transition) above the ground state and reveal a warm (T_kin= 100 - 140 K) molecular component toward all galaxies studied. The tentatively detected (J,K)=(9,9) line is evidence for an even warmer (>400K) component toward IC342. Toward NGC253, IC342 and Maffei2 the global beam averaged NH3 abundances are 1-2 10^-8, while the abundance relative to warm H2 is around 10^-7. The temperatures and NH3 abundances are similar to values found for the Galactic central region. C-shocks produced in cloud-cloud collisions can explain kinetic temperatures and chemical abundances. In the central region of M82, however, the NH3 emitting gas component is comparatively cool (~ 30K). It must be dense (to provide sufficient NH3 excitation) and well shielded from dissociating photons and comprises only a small fraction of the molecular gas mass in M82. An important molecular component, which is warm and tenuous and characterized by a low ammonia abundance, can be seen mainly in CO. Photon dominated regions (PDRs) can explain both the high fraction of warm H_2 in M82 and the observed chemical abundances.

研究の動機と目的

• 近接する星形成銀河の中心領域における温かい高密度分子ガスの存在と物理的状態を、高Jアンモニア遷移を用いて調査すること。
• NGC 253、Maffei 2、IC 342、M 82における分子ガスの力学的温度、NH₃濃度、励起状態を特定すること。
• 銀河中心部における加熱および化学反応機構の支配的要因を理解するために、これらの銀河の化学的・熱的性質を銀河中心と比較すること。
• Cショックおよび光子支配領域（PDR）が、さまざまな銀河核における観測されたNH₃線放出および濃度変動をどのように決定しているかを評価すること。

提案手法

• IRAM 30m、100m Effelsberg望遠鏡、SMAを用いた、(J,K) = (9,9)に達するまでの複数の高J NH₃反転遷移の観測。
• 局所的熱力学的平衡（LTE）を仮定し、光学厚さおよびビーム希釈補正を加えて、レベル分布比から力学的温度を導出する。
• 観測されたライン強度とCOおよびCSデータからのH₂密度制約を用いて、H₂に対する全ビーム平均NH₃濃度を推定する。
• CショックおよびPDRの理論モデルと観測されたNH₃励起および濃度パターンを比較し、支配的加熱および化学反応プロセスを推定する。
• 多段階CSライン研究を用いて、核領域におけるH₂密度（約10⁴ cm⁻³）を推定し、NH₃励起状態の文脈を提供する。
• アーカイブCOおよびHCO⁺データを統合し、M 82における分子ガスの相対的濃度および励起状態を評価し、他の銀河と対比する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NGC 253、Maffei 2、IC 342の中心領域における高J NH₃遷移によって示される高密度分子ガスの力学的温度は何か？
• RQ2 これらの銀河におけるH₂に対する全ビーム平均NH₃濃度は何か？また、銀河中心と比較するとどうなるか？
• RQ3 M 82では温かい分子ガスが存在するにもかかわらず、なぜ温かいアンモニアが検出されないのか？その違いを説明する物理的メカニズムは何か？
• RQ4 CショックまたはPDRが、これらの星形成銀河における観測されたNH₃励起、濃度、温度勾配をどの程度説明できるか？
• RQ5 これらの銀河におけるNH₃放射ガスの物理的状態（密度、温度、遮蔽）は、銀河中心と比較してどう異なるか？

主な発見

• 高エネルギー状態のNH₃線が(J,K) = (6,6)遷移に達するまで検出され、基底状態より406 Kの輝度温度を示しており、NGC 253、Maffei 2、IC 342の高密度ガス成分における力学的温度が100–140 Kであることを示している。
• IC 342における(J,K) = (9,9)遷移の懸念される検出は、400 Kを超えるより高温のガス成分の存在を示唆している。
• NGC 253、Maffei 2、IC 342におけるH₂に対する全ビーム平均NH₃濃度は約(3.3–5.7) × 10⁻⁸であり、温かい相の濃度は約10⁻⁷と推定され、銀河中心部の値と類似している。
• 一方、M 82の温かい相におけるNH₃濃度は、10⁻⁸未満にまで低下しており、温かいH₂が存在するにもかかわらず、検出可能な温かいNH₃が存在しないことを示している。
• 観測されたNH₃励起および濃度パターンは、雲同士の衝突に起因するCショックが、固体粒子表面の氷被膜からのNH₃放出と加熱を引き起こすメカニズムと整合的である。
• M 82における温かいNH₃の欠如は、強力なUV放射による光分解が支配的であるPDR加熱メカニズムによって最もよく説明される。この場合、NH₃や他の複雑分子は破壊されるが、中程度の遮蔽とイオン化化学によりCSおよびHCO⁺濃度は依然として高まっている。