[論文レビュー] HI filaments are cold and associated with dark molecular gas. HI4PI based estimates of the local diffuse CO-dark H2 distribution

P. M. W. Kalberla, J. Kerp+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2020

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 70被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、銀河の拡散状銀河間媒体における冷たいH iフィラメント（T_D ≤ 1165 K）が、COに見えない分子水素（H₂）に関連していると提唱している。HI4PIデータからのドップラー温度を用いて、ダスト-ガス比に含まれないH₂を補正する。冷たいH iガスはH₂と相関しており、CNMの全水素の46%がCOに見えないH₂であると判明し、T_D ≤ 220 Kのフィラメントでは分子分率が61%以上に達しており、H₂が支配的であることが示された。

ABSTRACT

Context. There are significant amounts of H2 in the Milky Way. Due to its symmetry H2 does not radiate at radio frequencies. CO is thought to be a tracer for H2, however CO is formed at significantly higher opacities than H2. Thus, toward high Galactic latitudes significant amounts of H2 are hidden and called CO-dark. Aims. We demonstrate that the dust-to-gas ratio is a tool to identify locations and column densities of CO-dark H2. Methods. We adopt the hypothesis of a constant E(B-V)/NH ratio, independent of phase transitions from HI to H2. We investigate the Doppler temperatures TD, from a Gaussian decomposition of HI4PI data, to study temperature dependencies of E(B-V)/NHI. Results. The E(B-V)/NHI ratio in the cold HI gas phase is high in comparison to the warmer one. We consider this as evidence that cold HI gas toward high Galactic latitudes is associated with H2. Beyond CO-bright regions we find for TD < 1165 K a correlation (NHI + 2NH2 )/NHI prop -log T_D. In combination with a factor XCO = 4.0 10 20 cm^-2 (K km s^-1 )-1 this yields for the full-sky NH /E(B-V) sim 5.1 to 6.7 10^21 cm^-2 mag^-1, compatible with X-ray scattering and UV absorption line observations. Conclusions. Cold HI with T_D < 1165 K contains on average 46% CO-dark H2. Prominent filaments have TD < 220 K and typical excitation temperatures Tex sim 50 K. With a molecular gas fraction of > 61% they are dominated dynamically by H2.

研究の動機と目的

• ダストの減光とH iデータを用いて、拡散状銀河間媒体におけるCOに見えない分子水素（H₂）を特定・定量すること。
• 冷たいH iガス相が、特に高銀緯度で見えないH₂と相関しているかどうかを特定すること。
• H i吸収率測定における観測されないH₂を考慮した、温度依存性の補正をダスト-ガス比に適用するための手法を開発すること。
• 冷たい、繊維状のH i構造におけるH₂の力学的優位性を評価すること。
• X_CO = 4.0×10²⁰ cm⁻² (K km s⁻¹)⁻¹を用いて補正を検証し、X線およびUV観測と比較すること。

提案手法

• HI4PIデータのガウス分解を用いて、H i成分のドップラー温度（T_D）を導出する。
• E(B-V)/N_HI比を、全N_Hの線形性がH iからH₂への相転移中でも成り立つものと仮定して、ダスト-ガス比の代理指標として用いる。
• COに見えないH₂を補正するための、実験的に導出された補正関数f_c(T_D)を導出。E(B-V)/N_HIをE(B-V)/(N_HI + 2N_H2)に補正する。
• COに明るい領域におけるH₂吸収率密度への変換に、X_CO要因（4.0×10²⁰ cm⁻² (K km s⁻¹)⁻¹）を適用する。
• FIR放射およびUV吸収データを用いて、ダスト-ガス相関の妥当性を検証する。
• COに明るい領域を除く74%の空域における統計的解析を実施し、平均的なH₂分率および温度閾値を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 冷たいH iガス（T_D ≤ 1165 K）は、COでトレースされない隠れた分子水素と関連しているか？
• RQ2 E(B-V)/N_HI比はT_Dが低下するにつれて系的に増加するか？これは、見過ごされたH₂を示唆するか？
• RQ3 COに明るい領域を除く冷たい中性媒体（CNM）における平均的な分子ガス分率f^N_H2 = 2N_H2 / N_Hはどの程度か？
• RQ4 H iフィラメントの物理的性質（T_D、T_ex、f^N_H2）は、H₂優位性およびダストとの関連性とどのように関係しているか？
• RQ5 f_c(T_D)補正は、標準的なX_CO要因を用いてCOに明るい領域へ拡張可能か？

主な発見

• E(B-V)/N_HI比はT_Dが低下するにつれて増加しており、冷たいH iガス（T_D ≤ 1165 K）が見過ごされた分子水素と関連していることを示している。
• 温度依存性の補正f_c(T_D)が導出され、COに見えないH₂を含む真のダスト-ガス比の推定が可能になった。
• 平均して、COに明るい領域を除くCNMにおける全水素吸収率密度の46%が、COに見えないH₂の形で存在している。
• T_D ≤ 220 Kのフィラメントでは、励起温度T_ex ≈ 50 Kであり、分子ガス分率f^N_H2 ≥ 61%に達しており、H₂が支配的であることが示された。
• 導出されたN_H/E(B-V)比（5.1～6.7×10²¹ cm⁻² mag⁻¹）は、X線散乱およびUV吸収線観測と整合的である。
• f_c(T_D)補正は、高銀緯度におけるダスト-ガス比の系統的ずれを顕著に低減し、前方減光補正に使用可能であることを支持している。