[論文レビュー] Discovery of a Perseus-like cloud in the early Universe: H I-to-H 2 transition, carbon monoxide and small dust grains at z abs ≈ 2.53 towards the quasar J0000+0048

P. Noterdaeme, Jens-Kristian Krogager+11 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2016

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 141被引用数 41

ひとこと要約

本研究では、クェザー J0000+0048 方向に位置する赤方偏移 z ≈ 2.53 の高赤方偏移分子雲の発見を報告する。この雲は分子分率 f ≈ 50% を示し、高赤方偏移の中間系において観測された中で最高の値である。VLT/UVES および X-Shooter を用いた高分解能紫外および可視域スペクトルと、Cloudy モデリングを組み合わせることで、冷たく密度の高い雲（nH ≈ 80 cm⁻³、T ≈ 50 K）が特定され、太陽系を上回る金属量と小さなダスト粒子を有していることが判明した。これは急勾配の減光曲線と 2175 Å のピークと整合的であり、CMB 温度は 9.6 K と推定され、断熱冷却予測と一致している。

ABSTRACT

We present the discovery of a molecular cloud at zabs=2.5255 along the line of sight to the quasar J0000+0048. We perform a detailed analysis of the absorption lines from ionic, neutral atomic and molecular species in different excitation levels, as well as the broad-band dust extinction. We find that the absorber classifies as a Damped Lyman-alpha system (DLA) with logN(HI)(cm^-2)=20.8+/-0.1. The DLA has super-Solar metallicity with a depletion pattern typical of cold gas and an overall molecular fraction ~50%. This is the highest f-value observed to date in a high-z intervening system. Most of the molecular hydrogen arises from a clearly identified narrow (b~0.7 km/s), cold component in which CO molecules are also found, with logN(CO)~15. We study the chemical and physical conditions in the cold gas. We find that the line of sight probes the gas deep after the HI-to-H2 transition in a ~4-5 pc-size cloud with volumic density nH~80 cm^-3 and temperature of only 50 K. Our model suggests that the presence of small dust grains (down to about 0.001 μm) and high cosmic ray ionisation rate (zeta_H a few times 10^-15 s^-1) are needed to explain the observed atomic and molecular abundances. The presence of small grains is also in agreement with the observed steep extinction curve that also features a 2175 A bump. The properties of this cloud are very similar to what is seen in diffuse molecular regions of the nearby Perseus complex. The high excitation temperature of CO rotational levels towards J0000+0048 betrays however the higher temperature of the cosmic microwave background. Using the derived physical conditions, we correct for a small contribution (0.3 K) of collisional excitation and obtain TCMB(z = 2.53)~9.6 K, in perfect agreement with the predicted adiabatic cooling of the Universe. [abridged]

研究の動機と目的

• 初期宇宙における高赤方偏移分子雲の物理的・化学的状態を調査すること。
• 吸収体の分子分率と金属量を特定し、太陽系を上回る金属量を示す DLA として同定すること。
• 小さなダスト粒子と宇宙線イオン化が、冷たく密度の高いガスにおける高い CO 濃度を維持する役割を理解すること。
• CO の励起状態を用いて z ≈ 2.53 における宇宙マイクロ波背景放射（CMB）温度を測定し、宇宙論的モデルを検証すること。
• この雲の性質を、近隣のペルセウス複合体の拡散分子領域と比較すること。

提案手法

• H I、H2、CO、C I およびその他の種の吸収線を検出するために、VLT/UVES および X-Shooter を用いた高分解能紫外および可視域分光法。
• vpfit コードを用いたスペクトルフィッティングにより、吸収成分の核密度と運動学的構造を測定。
• Cloudy スペクトル合成コードを用いて、雲内の物理的状態（密度、温度、UV放射場、宇宙線イオン化率）をモデル化。
• CO の回転準位励起状態を用いて、力学的温度を推定し、衝突励起効果を補正。
• 観測された CO 励起状態を理論的モデルと比較し、衝突励起を補正することで、z ≈ 2.53 における CMB 温度を導出。
• 全波長スペクトルエネルギー分布（SED）を用いたダスト減光の分析と、2175 Å ピークおよび吸着パターンとの比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 この高赤方偏移分子雲の物理的・化学的状態は何か？ また、それらは局所の拡散分子雲とどのように比較できるか？
• RQ2 この系ではなぜ分子分率 f ≈ 50% が観測されるのか？ そして、高赤方偏移においてこのような高い値を実現するプロセスは何か？
• RQ3 小さなダスト粒子と宇宙線イオン化が、この雲における高い CO 濃度を維持する上で果たす役割は何か？
• RQ4 CO 励起状態から z ≈ 2.53 における CMB 温度を測定可能か？ また、それは宇宙論的予測と一致するか？
• RQ5 高赤方偏移 DLA において CO を検出可能と予測する観測指標（例：C I、減光曲線）は何か？

主な発見

• 吸収体は、log N(H I) = 20.8 ± 0.1 cm⁻² と太陽系を上回る金属量（Z ≈ 2.5 Z⊙）を示すダムプド・ライマン-α系（DLA）であり、冷たいガスに典型的な吸着パターンを示す。
• 分子分率 f ≈ 50% は、高赤方偏移の中間系において観測された中で最高の値であり、H2 および CO が狭く冷たい成分（b ≈ 0.7 km s⁻¹、T ≈ 50 K）で検出された。
• Cloudy モデリングにより、nH ≈ 80 cm⁻³ の高密度・低温の雲が特定され、中程度の UV フィールドと高い宇宙線イオン化率（ζH ≈ 数 × 10⁻¹⁵ s⁻¹）が推定された。
• 観測された減光曲線と CO 濃度を再現するには、～0.001 µm の小さなダスト粒子と 2175 Å のピークが不可欠である。
• 衝突励起を補正した後、z = 2.53 における CMB 温度は 9.6 K と導出され、断熱冷却予測 TCMB(z) = T₀(1 + z) と完全に一致した。
• この雲の物理的・化学的性質は、宇宙が僅か 2.5 Gyr のとき形成されたにもかかわらず、近隣のペルセウス複合体の拡散分子領域と顕著に類似していた。