[論文レビュー] Dense Molecular Gas in Extreme Starburst Galaxies - What will we learn from Herschel?

T. R. Greve, Panagiotis Papadopoulos+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2006

Spectroscopy and Laser Applications被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、Arp 220およびNGC 6240の多線路分子線放出データを用い、大型速度勾配（LVG）モデルを適用して、極端な星形成爆発銀河における高密度分子ガスの特徴を明らかにした。その結果、CSはHCO+に比べて約10倍高い密度のガスを示し、HCNはそれよりもさらに100倍高い密度を示すことが確認された。また、Herschel/HI-FIXがz ≈ 0.5までのULIRGで高J遷移を検出可能であると予測され、高赤方偏移銀河の高密度ガスの完全な分子線ラダー研究が可能になると示された。

ABSTRACT

Ultra Luminous Infra-Red Galaxies (ULIRGs) -- gas-rich mergers harboring the most extreme star-forming conditions encountered in the local Universe -- are thought to re-enact the galaxy formation processes we are only barely able to glimpse in the distant Universe. Combining new single-dish molecular line observations of 12CO, 13CO, HCO+, HCN, and CS towards the two ULIRGs Arp220 and NGC6240 with existing data in the literature, we have compiled the most extensive molecular line data-sets to date of such galaxies. The data allow us to put strong constraints on the properties of the dense star forming gas in these two systems, and compare the relative usefulness of CS, HCN and HCO+ as tracers of dense gas. In addition, we have build molecular line templates based on our observations, and demonstrate that Herschel/HI-FI will be able to detect the high-J transitions of most of the above molecules in a large sample of ULIRGs out to z<=0.5, assuming Arp220 and NGC6240 are representative of the ULIRG population at these redshifts.

研究の動機と目的

• 多線路分子放出データを用いて、極端な星形成爆発銀河における高密度分子ガスの物理的状態を特徴づけること。
• HCN、HCO+およびCSがULIRGにおける高密度ガスの tracer としてどれほど効果的であるかを比較すること。
• Arp 220およびNGC 6240の観測から得られる実験的分子線テンプレートを構築し、高赤方偏移研究に活用すること。
• ULIRGにおける高J分子遷移のHerschel/HI-FIXによる検出可能性を予測すること（z ≤ 0.5まで）。
• ALMAによる将来的な高赤方偏移研究を支援するため、低赤方偏移テンプレートを提供し、高J線放出の解釈を容易にすること。

提案手法

• JCMTおよびIRAM 30-m望遠鏡を用いて、Arp 220およびNGC 6240に対して12 CO、13 CO、HCO+、HCN、CS線の単一望遠鏡観測を実施した。
• 線幅比の解釈およびガス密度、温度、光学厚さの導出のために、大型速度勾配（LVG）モデルを適用した。
• 最良のLVG解に従って、HCN、HCO+、CSのH2への換算係数（α）を計算し、高密度ガス質量を推定した。
• 得られた高密度ガスの性質を基に、赤方偏移z=0.05からz=1.0までのULIRGにおける高J遷移（最大J=11-10）の線輝度を予測した。
• 6バンドにわたるHerschel/HI-FIXの感度限界をプロットし、z ≤ 0.5における高J線の検出可能性を評価した。
• Arp 220およびNGC 6240に基づく分子線テンプレートを構築し、高赤方偏移観測の基準として用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Arp 220およびNGC 6240のような極端な星形成爆発銀河における高密度分子ガスの物理的状態（密度、温度、光学厚さ）は何か？
• RQ2 ULIRGにおけるHCO+、HCN、CSの各 tracer が、異なるガス密度に対してどれほど感度を示すか、どのように比較できるか？
• RQ3 CO、HCN、CS、HCO+の高J遷移がどの程度共存しているか。これは、共通の高密度ガス相を示唆するか？
• RQ4 Herschel/HI-FIXはz ≤ 0.5のULIRGにおける高J分子遷移を検出可能か。また、地上観測施設とどのように補完し合うか？
• RQ5 局所のULIRGテンプレート（例：Arp 220、NGC 6240）は、高赤方偏移銀河における高J線放出の解釈をどの程度向上できるか？

主な発見

• CSはHCNに比べて約10倍、HCO+に比べて約100倍高い密度のガスを示しており、これは、CSが高質量星形成核の最も高密度な領域をトレースする役割を果たしていることを確認した。
• HCN、HCO+、CSはいずれも50–70 Kのほぼ同じ運動温度を示しており、活性的な星形成領域と関連していることが示された。
• Arp 220およびNGC 6240の高密度ガス質量は、それぞれ(0.6–2.5)×10¹⁰ M☉および(0.8–2.4)×10¹⁰ M☉と推定され、多線路データによる強い制約があるため高い信頼性を有する。
• CO、HCN、CS、HCO+の高J回転ラダー（最大J=11-10まで）は、z ≤ 0.5のULIRGにおいてHerschel/HI-FIXで検出可能であると予測され、1時間の積分で5σ感度に達する可能性がある。
• 観測された線輝度および予測された検出可能性は、地上の観測が大気吸収の影響を受ける場合に、HCNおよび高J COが高赤方偏移銀河における高密度ガスの代替指標として利用可能であることを支持する。
• Arp 220およびNGC 6240のテンプレートは、遠方の高赤方偏移星形成爆発銀河における高J線放出の解釈に、実験的根拠に基づいた強固な基準を提供する。