[論文レビュー] Detection of Emission from the CN Radical in the Cloverleaf Quasar at z=2.56

Dominik A. Riechers, Fabian Walter+5 more|ArXiv.org|May 23, 2007

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 27被引用数 14

ひとこと要約

本研究は、赤方偏移 z=2.56 のクローバーリーフクェザで、IRAM プレアドゥ・ブール干渉計を用いて、最初の高赤方偏移でのCN(3→2)線放出の検出を報告している。CN線は紫外線に照らされた光分解領域における高密度分子ガス（n(H₂) > 10⁴ cm⁻³）を示しており、観測されたFIR放射線とLuminosity比は、本地域の（超）高赤外放射銀河と整合しており、CNが高赤方偏移における高密度で星形成が活発なガスを信頼性高く探査するための有力な tracer であることを確認した。

ABSTRACT

We report the detection of CN(N=3-2) emission towards the Cloverleaf quasar (z=2.56) based on observations with the IRAM Plateau de Bure Interferometer. This is the first clear detection of emission from this radical at high redshift. CN emission is a tracer of dense molecular hydrogen gas (n(H2) > 10^4 cm^{-3}) within star-forming molecular clouds, in particular in regions where the clouds are affected by UV radiation. The HCN/CN intensity ratio can be used as a diagnostic for the relative importance of photodissociation regions (PDRs) in a source, and as a sensitive probe of optical depth, the radiation field, and photochemical processes. We derive a lensing-corrected CN(N=3-2) line luminosity of L'(CN(3-2) = (4.5 +/- 0.5) x 10^9 K km/s pc^2. The ratio between CN luminosity and far-infrared luminosity falls within the scatter of the same relationship found for low-z (ultra-) luminous infrared galaxies. Combining our new results with CO(J=3-2) and HCN(J=1-0) measurements from the literature and assuming thermal excitation for all transitions, we find a CO/CN luminosity ratio of 9.3 +/- 1.9 and a HCN/CN luminosity ratio of 0.95 +/- 0.15. However, we find that the CN(N=3-2) line is likely only subthermally excited, implying that those ratios may only provide upper limits for the intrinsic 1-0 line luminosity ratios. We conclude that, in combination with other molecular gas tracers like CO, HCN, and HCO+, CN is an important probe of the physical conditions and chemical composition of dense molecular environments at high redshift.

研究の動機と目的

• CO や HCN とは異なる高密度分子ガス状態を調査するため、高赤方偏移クェザにおけるCN放出の検出を目的とする。
• 遠方の活動的銀河における分子ガス化学を形作る紫外線放射と光化学の役割を調査する。
• 光分解領域（PDR）および高赤方偏移における高密度ガス励起状態の診断に、CNの有効性を評価する。
• FIR放射線および他の分子線放射線と比較して、CN放射線のLuminosity比を評価し、高赤方偏移銀河研究における診断的有用性を検証する。

提案手法

• 高スペクトル分解能を用いて、IRAM プレアドゥ・ブール干渉計でCN(3→2)遷移を観測し、サブアーキセコンドの分解能を達成した。
• レンズ効果補正済みの線放射線 L′_CN(3-2) = (4.5 ± 0.5) × 10⁹ K km s⁻¹ pc² を測定した。
• 既存のCO(3→2)およびHCN(1→0)放射線データを文献から統合し、放射線比を計算した。
• 熱的励起および準熱的励起の仮定に基づく予測と比較することで、励起状態を評価した。
• ガス密度、放射場強度、光学的厚さの診断に、HCN/CNおよびCO/CN放射線比を用いた。
• 高赤方偏移銀河および本地域銀河のサンプルにおける L′_CN–L_FIR 関係をプロットし、本地域のスケーリング則との整合性をテストした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移クェザにおいてCN(3→2)線放出は検出可能であるか？ その存在は、高密度分子ガス環境について何を明らかにするか？
• RQ2 クローバーリーフにおけるCN、HCN、COの放射線比は、本地域の（U）LIRGと比較してどう異なるか？ これにより、ガス励起状態および化学反応に何が示唆されるか？
• RQ3 CN(3→2)線はどの程度準熱的励起されているか？ これは放射線比の解釈にどのように影響するか？
• RQ4 本地域銀河で観測されたCN/FIR放射線関係は、クローバーリーフのような高赤方偏移クェザにも適用可能か？
• RQ5 高赤方偏移における星形成領域およびAGNに影響を受ける領域では、HCNに比べてCNが紫外線に照らされた高密度ガスをより特異的に示す tracer として有効であるか？

主な発見

• クローバーリーフクェザ（z=2.56）でCN(3→2)線が明確に検出され、これが高赤方偏移で最初のレアアトムの検出を記録した。
• レンズ効果補正済みのCN(3→2)線放射線は L′_CN(3-2) = (4.5 ± 0.5) × 10⁹ K km s⁻¹ pc² であった。
• クローバーリーフの L′_CN–L_FIR 関係は、本地域の（超）高赤外放射銀河で観測された同様の関係の散乱内に位置している。
• CO/CN放射線比は 9.3 ± 1.9、HCN/CN放射線比は 0.95 ± 0.15 であったが、これらはCNの準熱的励起のため、上限値である可能性がある。
• CN(3→2)線はおそらく準熱的励起であると推定され、熱的平衡を仮定した場合、1→0放射線比は過大評価されている可能性がある。
• 観測されたCN放出は、紫外線に照らされた光分解領域における高密度分子ガスを示しており、CNが高赤方偏移銀河における星形成状態を感受するための感受性の高いプローブであることを支持する。