[論文レビュー] Internal structure of spiral arms traced with [CII]: Unraveling the WIM, HI, and molecular emission lanes

T. Velusamy, W. D. Langer+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2015

Inorganic Fluorides and Related Compounds被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、はくちょう座、へび座、しりょう座のスパイラル腕内部構造を、ハーシェル/HIFIが取得した高分解能[C II] 1.9 THz放射マップを用いて調査した。その結果、圧縮された温かい電離ガス（WIM）、H I、および分子ガスの明確な放射線帯が特定された。スパイラル腕の内縁部に、分子PDRとは異なるショック圧縮[C II]ピークが存在し、スパイラル密度波による圧縮の直接的な運動学的証拠が得られた。WIMの電子密度は約0.5 cm⁻³であり、平均ディスク値と比較して約10倍高い。

ABSTRACT

The spiral arm tangencies are ideal lines of sight in which to determine the distribution of interstellar gas components in the spiral arms and study the influence of spiral density waves on the interarm gas in the Milky Way. We present a large scale (~15deg) position-velocity map of the Galactic plane in [CII] from l = 326.6 to 341.4deg observed with Herschel HIFI. We use [CII] l-v maps along with those for Hi and 12CO to derive the average spectral line intensity profiles over the longitudinal range of each tangency. Using the VLSR of the emission features, we locate the [CII], HI, and 12CO emissions along a cross cut of the spiral arm. In the spectral line profiles at the tangencies [CII] has two emission peaks, one associated with the compressed WIM and the other the molecular gas PDRs. When represented as a cut across the inner to outer edge of the spiral arm, the [CII]-WIM peak appears closest to the inner edge while 12CO and [CII] associated with molecular gas are at the outermost edge. HI has broader emission with an intermediate peak located nearer to that of 12CO. The velocity resolved spectral line data of the spiral arm tangencies unravel the internal structure in the arms locating the emission lanes within them. We interpret the excess [CII] near the tangent velocities as shock compression of the WIM induced by the spiral density waves and as the innermost edge of spiral arms. For the Norma and Perseus arms, we estimate widths of ~250 pc in [CII]-WIM and ~400 pc in 12CO and overall spiral arm widths of ~500 pc in [CII] and 12CO emissions. The electron densities in the WIM are ~ 0.5 cm^-3, about an order of magnitude higher than the average for the disk. The enhanced electron density in the WIM is a result of compression of the WIM by the spiral density wave potential.

研究の動機と目的

• 速度分解能を用いた[C II]、H I、および12 CO放射線プロファイルを用いて、のへび座銀河のスパイラル腕内部構造を解明すること。
• スパイラル腕の縁縁に相対する、WIM、H I、および分子ガスの異なるガス成分の空間的分布を特定すること。
• スパイラル腕内において、[C II]放射線が温かい電離ガス（WIM）と光子駆動領域（PDR）を区別できるかを検証すること。
• スパイラル密度波によるWIMの圧縮の広がりと、その幅を定量すること。
• 特に接線線を越えた領域において、WIM成分がどの程度検出可能であるかを評価すること。

提案手法

• ハーシェル/HIFIのオンザフライ（OTF）マッピングを用いて、銀経度l = 326.6°–341.4°およびl = 304.9°–305.9°の領域で、[C II]、H I、および12 COのスペクトル線マップを取得した。
• クルス、ヘビ座、しりょう座の接線領域において、スペクトル線強度プロファイルを平均化し、放射特徴を抽出した。
• ラジアル速度（V LSR）を用いて、スパイラル腕断面に沿った放射ピークをマッピングし、内縁および外縁からの相対的位置を特定した。
• 速度空間における運動学的分離により、[C II]–WIM成分と分子PDR放射を区別した。
• [C II]強度を用いて、放射輸送モデルを適用し、[C II]強度をもとに圧縮されたWIM内の電子密度を推定した。
• スパイラル腕の幅を、[C II]–WIMおよび12 CO放射プロファイルの半最大点間の距離として定義した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧縮されたWIM、H I、および分子ガスの放射ピークは、スパイラル腕の内縁および外縁に対してそれぞれどこに位置するか？
• RQ2 [C II]放射線のみで、スパイラル腕内におけるWIMと分子ガスPDRを区別できるか？
• RQ3 スパイラル密度波によるWIMの圧縮の広がりはどの程度で、H Iおよび分子ガス帯の幅と比較してどうなるか？
• RQ4 なぜWIM成分は接線付近でのみ検出可能であり、他の線走査では検出困難なのか？
• RQ5 圧縮されたWIM内の電子密度は、平均ディスク値と比較してどの程度か？また、これは圧縮メカニズムに何を示唆するか？

主な発見

• [C II]放射線は、接線速度を超える極端な速度域を示し、ショック圧縮されたWIM成分を示しており、12 COピークから約200 pc内側に位置し、スパイラル腕の内縁を示している。
• WIM成分は、接線速度より約9 km s⁻¹高いラジアル速度に現れ、銀河中心への最も近い接近位置に対応している。
• 圧縮されたWIM内の電子密度は約0.5 cm⁻³であり、典型的なディスク値と比較して約10倍高い。これは、スパイラル密度波による強い圧縮を示している。
• スパイラル腕の幅は、[C II]および12 COで約500 pcと推定され、ヘビ座およびしりょう座腕では、[C II]–WIM幅は約250 pc、12 CO幅は約400 pcであった。
• H I放射は広いプロファイルを示し、中間ピークを示しており、[C II]–WIMピークよりも12 COピークに近い位置に位置しており、異なる空間的分布を示している。
• 接線を越えた領域では、パス長が不十分で速度の重なりが生じるため、[C II]–WIM成分は検出が困難であるが、銀河全体の[C II]全放射光度に顕著な寄与をしている可能性がある。