[論文レビュー] Molecular gas in low-metallicity starburst galaxies: Scaling relations and the CO-to-H$_2$ conversion factor

R. Amorín, C. Muñoz–Tuñón+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 147被引用数 31

ひとこと要約

本研究では、IRAM 30m望遠鏡を用いたCO(1-0)およびCO(2-1)観測を通じて、低金属量の青白色コンact矮星銀河（BCD）における分子ガスを調査し、金属量が低い環境ではCOがH₂質量を顕著に低く見積もることを明らかにした。金属量に依存するCOからH₂への換算係数α_CO,Z ∝ (Z/Z⊙)^−1.5を提案し、Z ≈ 0.1Z⊙でH₂質量の低減が約40倍にまで軽減され、BCDがシュミット＝ケニカット則から逸脱する要因の一部が解消されることを示した。

ABSTRACT

We study the molecular content and the star formation efficiency of 21 Blue Compact Dwarfs (BCDs). We present CO(1-0) and (2-1) observations, further supplemented with additional CO measurements and multiwavelength ancillary data from the literature. We find the CO luminosity to be correlated with the stellar and HI masses, SFR tracers, the size of the starburst and its metallicity. BCDs appear offset from the Schmidt-Kennicutt (SK) law, showing extremely low ($\lesssim$0.1 Gyr) H2 and H2+HI depletion timescales. The departure from the SK law is smaller when considering H2+HI rather than H2 only, and is larger for BCDs with lower metallicity and higher specific SFR. Thus, the molecular fraction and H2 depletion timescale of BCDs is found to be strongly correlated with metallicity. Using this and assuming that the empirical correlation found between the specific SFR and galaxy-averaged H2 depletion timescale of more metal-rich galaxies extends to lower masses, we derive a metallicity-dependent CO-to-H2 conversion factor $α_{CO, Z} \propto (Z/Z_{\odot})^{-y}$, with $y=1.5(\pm 0.3)$ in qualitative agreement with previous determinations, dust-based measurements, and recent model predictions. Our results suggest that in vigorously star-forming dwarfs the fraction of H2 traced by CO decreases by a factor of about 40 from $Z \sim Z_{\odot}$ to $Z \sim 0.1 Z_{\odot}$, leading to a strong underestimation of the H2 mass in metal-poor systems when a Galactic $α_{CO, MW}$ is considered. Adopting $α_{CO, Z}$ we find that departures from the SK law are partially resolved. Our results suggest that starbursting dwarfs have shorter depletion gas timescales and lower molecular fractions compared to normal late-type disc galaxies even accounting for the molecular gas not traced by CO emission in metal-poor environments, raising additional constraints to model predictions (Abridged).

研究の動機と目的

• 低金属量の星形成暴発銀河、特に青白色コンact矮星銀河（BCD）における分子ガスの含有量と星形成効率を理解すること。
• 紫外線光解離が顕著な低ダスト・低金属量の星間媒体において、CO線がH₂を tracer として信頼できるかを検討すること。
• 金属量に依存するCOからH₂への換算係数（α_CO,Z）を導出し、金属量が低い系におけるH₂質量の低減を是正すること。
• 金属量とCOで示される分子ガスの制限が、BCDにおけるシュミット＝ケニカット（SK）則に与える影響を評価すること。
• 観測されたガス・星形成・金属量のスケーリング関係が、低金属量環境における星形成理論モデルと整合しているかを検証すること。

提案手法

• 10個のBCDに対してIRAM 30m望遠鏡を用いてCO(1-0)およびCO(2-1)線観測を実施し、そのうち7つでCOを検出。
• 文献からのCO輝度、H I質量、星形成率（SFR）、ガス相金属量の測定値を補足データとして統合。
• CO輝度、星の質量、H I質量、SFR、金属量の相関関係を分析し、スケーリング関係を導出。
• 観測されたH₂の消費 timescale とSFRに基づき、α_CO,Z ∝ (Z/Z⊙)^−y の経験的関係からy = 1.5 ± 0.3をフィッティングし、金属量に依存するα_CO,Z要因を導出。
• H₂質量のみとH₂+H I総ガス質量を用いた場合のSK則の挙動を比較し、COによる tracer の制限が及ぼす影響を評価。
• 導出されたα_CO,Zを用いて、金属量関数としてのH₂質量、消費 timescale、分子分率（Σ_H₂/Σ_HI）を再評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低金属量の星形成暴発銀河におけるCOからH₂への換算係数は、金属量にどのように依存するか？
• RQ2 紫外線光解離が顕著な低金属量BCDにおいて、CO線が真のH₂質量をどの程度低く見積もるか？
• RQ3 BCDにおける分子ガス・星形成率・金属量の観測スケーリング関係は、標準的なシュミット＝ケニカット則とどのように異なるか？
• RQ4 金属量に依存するα_CO,Zを適用することで、BCDがSK則から逸脱する現象が軽減されるか？
• RQ5 低金属量の星形成暴発銀河において、H Iガスを総ガス予算に含めることで、ガス消費 timescale にどのような影響が生じるか？

主な発見

• 観測された10個のBCDのうち7つでCO線が検出され、そのうち2つは初めてのCO検出報告を含む。
• COで示される分子ガス含有量は、星の質量、H I質量、SFR、星形成暴発のサイズ、ガス相金属量と強く相関していた。
• H₂質量のみを用いた場合、BCDはシュミット＝ケニカット則から顕著な逸脱を示し、H₂消費 timescale が0.1 Gyr未満であった。これは極めて急速なガス消費を示唆する。
• COからH₂への換算係数は、α_CO,Z ∝ (Z/Z⊙)^−1.5で最もよく表され、y = 1.5 ± 0.3であり、太陽系から0.1Z⊙に至る金属量の低下に伴いCOで示されるH₂分率が約40倍に減少することが示唆された。
• α_CO,Zを採用することで、BCDがSK則から逸脱する現象が軽減されたが、特にH₂+H I総ガスを考慮した場合に顕著であり、依然として残存する逸脱が観測された。
• H₂+H I総ガスの消費 timescale は金属量にほとんど依存せず、短時間に及ぶ強力な星形成暴発の理論的予測と定性的に一致した。