[論文レビュー] Dense gas in nearby galaxies XVI. The nuclear starburst environment in NGC4945

M. Wang, C. Henkel+5 more|ArXiv.org|May 18, 2004

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 69被引用数 73

ひとこと要約

本研究では、SEST望遠鏡を用いて、NGC 4945の核的星形成爆発領域における高密度分子ガスのマルチラインミリ波バンド調査を実施し、19種の分子の80本の遷移を検出。高密度ガス成分（n(H₂) ~ 10⁵ cm⁻³）が確認され、NGC 253とM 82の中間的進化段階に位置し、HNCの過剰および同素体比（例：¹⁸O/¹⁷O = 6.4 ± 0.3）が、大質量星による顕著な核合成処理を示唆している。

ABSTRACT

A multi-line millimeter-wave study of the nearby starburst galaxy NGC 4945 has been carried out using the Swedish-ESO Submillimeter Telescope (SEST). The study covers the frequency range from 82 GHz to 354 GHz and includes 80 transitions of 19 molecules. 1.3 mm continuum data of the nuclear source are also presented. A large number of molecular species indicate the presence of a prominent high density interstellar gas component characterized by $n_{ m H_2}\sim10^5$ cm$^{-3}$. Abundances of molecular species are calculated and compared with abundances observed toward the starburst galaxies NGC 253 and M 82 and galactic sources. Apparent is an `overabundance' of HNC in the nuclear environment of NGC 4945. While the HNC/HCN $J$=1--0 line intensity ratio is $\sim$0.5, the HNC/HCN abundance ratio is $\sim$1. While HCN is subthermally excited ($T_{ m ex}\sim$8 K), CN is even less excited ($T_{ m ex}\sim$3--4 K), indicating that it arises from a less dense gas component and that its $N$=2--1 line can be optically thin even though its $N$=1--0 emission is moderately optically thick. Overall, fractional abundances of NGC 4945 suggest that the starburst has reached a stage of evolution that is intermediate between those observed in NGC 253 and M 82. Carbon, nitrogen, oxygen and sulfur isotope ratios are also determined. Within the limits of uncertainty, carbon and oxygen isotope ratios appear to be the same in the nuclear regions of NGC 4945 and NGC 253. High $^{18}$O/$^{17}$O, low $^{16}$O/$^{18}$O and $^{14}$N/$^{15}$N and perhaps also low $^{32}$S/$^{34}$S ratios appear to be characteristic properties of a starburst environment in which massive stars have had sufficient time to affect the isotopic composition of the surrounding interstellar medium.

研究の動機と目的

• 近接する星形成爆発銀河であるNGC 4945の核領域における高密度分子ガス環境を特徴づけること。
• 化学的・物理的条件を極限的星形成環境で探るため、分子の過剰量および同素体比を決定すること。
• NGC 253 や M 82 など、よく研究された星形成爆発銀河と比較して、NGC 4945の星形成爆発の進化段階を特定すること。
• 大質量星による核合成が、星間媒体の同素体組成をどのように変化させるかを調査すること。
• 観測上のギャップを特定し、今後のNGC 4945における分子ガスの高解像度干渉計観測を支援すること。

提案手法

• SEST望遠鏡を用いて、82〜354 GHzの広帯域ミリ波バンド線スペクトル調査を実施し、19種の分子の80本の遷移をカバー。
• CO J=1–0および1.3 mm連続スペクトルの輝度を測定し、H₂の柱密度からCO線輝度への換算係数を導出。
• 線強度比を用いて、HCN、CN、HNC、HNCOの励起温度（Tex）および光学厚さを、放射平衡輸送モデル（例：LVG）を用いて推定。
• H₂に対する分率過剰量を計算し、NGC 253、M 82、および銀河系の源と比較。
• 同素体体の線強度測定値から、同素体比（¹²C/¹³C、¹⁶O/¹⁸O、¹⁴N/¹⁵N、³²S/³⁴S）を決定。
• Kₐ = 0および1のHNCO線強度を用いて、背景放射場の上限を30 Kとして推定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NGC 4945の核的星形成爆発領域における分子ガスの密度および励起状態は何か？
• RQ2 NGC 4945における分子の過剰量および同素体比は、NGC 253 や M 82 と比べてどう異なるか？
• RQ3 線強度比が約0.5であるのに対し、観測されたHNC/HCN過剰量比が約1である原因は何か？
• RQ4 大質量星はNGC 4945の星間媒体の同素体組成を核合成によってどのように変化させるか？
• RQ5 一部の分子線が約450 km s⁻¹および約710 km s⁻¹に二重ピークを示す理由は何か？

主な発見

• H₂の柱密度からCO J=1–0輝度への換算係数は、銀河系ディスクの5〜10倍小さい。これは、H₂分子1個あたりのCO放射がより効率的であることを示唆。
• HCN、HCO⁺、CNなどの複数の分子遷移から、n(H₂) ~ 10⁵ cm⁻³の高密度ガス成分が確認された。
• HNC/HCN過剰量比は約1であり、観測された線強度比（約0.5）よりも顕著に高い。これは、イオン化学に起因するHNCの過剰が原因である可能性が高い。
• ¹⁸O/¹⁷O比は6.4 ± 0.3、¹⁶O/¹⁸O比は195 ± 45、¹⁴N/¹⁵N比は105 ± 25であり、いずれも大質量星による顕著な同素体処理を示唆。
• ³²S/³⁴S比は13.5 ± 2.5であり、³⁴Sの欠乏または沈殿が原因で、核合成的効果の可能性がある。
• ¹²C/¹³C比は銀河中心の値の約2倍であり、核領域への比較的純粋なガスの流入を示唆。