[論文レビュー] Molecules at z=0.89: A 4-mm-rest-frame absorption line survey toward PKS 1830-211

S. Müller, A. Beelen+7 more|Chalmers Publication Library (Chalmers University of Technology)|Apr 18, 2011

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 128被引用数 76

ひとこと要約

本研究は、オーストラリア電波望遠鏡コンパクトアレイを用いて、赤方偏移 z=0.89 のスパイラル銀河の前面に位置するクェザー PKS 1830−211 を対象として、最初の偏りのない 7 mm スペクトル調査を実施した。西南領域の吸収成分において、28 種の分子種および 8 種の同素体が検出され、銀河系の拡散領域および半転送領域の中間的な分子豊度を示し、赤方偏移 z=0.89 における陽子対電子質量比 μ の変動に対する厳密な上限 |Δμ/μ| < 4×10⁻⁶ が得られた。

ABSTRACT

We present the results of a 7 mm spectral survey of molecular absorption lines originating in the disk of a z=0.89 spiral galaxy located in front of the quasar PKS 1830-211. [...] A total of 28 different species, plus 8 isotopic variants, were detected toward the south-west absorption region, located about 2 kpc from the center of the z=0.89 galaxy, which therefore has the largest number of detected molecular species of any extragalactic object so far. The results of our rotation diagram analysis show that the rotation temperatures are close to the cosmic microwave background temperature of 5.14 K that we expect to measure at z=0.89, whereas the kinetic temperature is one order of magnitude higher, indicating that the gas is subthermally excited. The molecular fractional abundances are found to be in-between those in typical Galactic diffuse and translucent clouds, and clearly deviate from those observed in the dark cloud TMC 1 or in the Galactic center giant molecular cloud Sgr B2. The isotopic ratios of carbon, nitrogen, oxygen, and silicon deviate significantly from the solar values, which can be linked to the young age of the z=0.89 galaxy and a release of nucleosynthesis products dominated by massive stars. [...] We also report the discovery of several new absorption components, with velocities spanning between -300 and +170 km/s. Finally, the line centroids of several species (e.g., CH3OH, NH3) are found to be significantly offset from the average velocity. If caused by a variation in the proton-to-electron mass ratio mu with redshift, these offsets yield an upper limit |Delta_mu/mu|&lt;4e-6, which takes into account the kinematical noise produced by the velocity dispersion measured from a large number of molecular species.

研究の動機と目的

• 赤方偏移 z=0.89 の高赤方偏移銀河における分子吸収ラインの最初の偏りのないスペクトル調査を実施すること。
• 分子の回転遷移を用いて、z=0.89 における宇宙マイクロ波背景放射の温度を測定すること。
• 遠方スパイラル銀河の星間媒体における化学組成および物理的状態を調査すること。
• 特に陽子対電子質量比 (μ) の変動が高赤方偏移で生じる可能性を検証すること。
• 銀河系および他の高赤方偏移天体における分子豊度および同素体比と比較し、化学的進化を追跡すること。

提案手法

• 30–50 GHz の周波数範囲（静止系周波数 57–94 GHz に対応）で、オーストラリア電波望遠鏡コンパクトアレイを用いて 7 mm スペクトル調査を実施した。
• 中間銀河系の分子吸収を調べるため、明るい電波連続スペクトルクェザー PKS 1830−211 をバックグラウンド光源として用いた。
• 検出された遷移から回転温度および分子数密度を回転ダイアグラム解析により導出した。
• 励起温度および数密度推定値を用いて、動力学的温度および分子分率豊度を計算した。
• 複数の分子種のドップラー速度中心を分析し、陽子対電子質量比 (μ) の変動を制約した。
• μ 変動の上限を求めるにあたり、複数の分子種に起因する速度分散ノイズを考慮した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z=0.89 のスパイラル銀河の星間媒体に存在する分子種の全リストは何か？
• RQ2 z=0.89 の吸収分子ガスにおける物理的状態（温度、密度、励起状態）は何か？
• RQ3 この高赤方偏移銀河における分子豊度および同素体比は、銀河系や他の銀河外天体と比べてどう異なるか？
• RQ4 観測された分子ラインのドップラー速度中心を用いて、z=0.89 における陽子対電子質量比 (μ) の変動を制約できるか？
• RQ5 西南および東北の吸収成分の結果にどのような相違があり、それらが吸収ガスの構造および化学的性質をどのように示唆するか？

主な発見

• 西南吸収成分に対して、合計 28 種の分子種および 8 種の同素体が検出され、これまでに観測された銀河外天体で最大の分子種インventryとなった。
• 吸収ガスの回転温度は、z=0.89 における予想される宇宙マイクロ波背景放射温度 5.14 K と整合的であり、CMB との熱平衡が確認された。
• 動力学的温度は回転温度よりも約 10 倍高いと推定され、分子ガスの準位が準熱的であることが示された。
• 西南成分における分子分率豊度は、銀河系の拡散領域および半転送領域の中間的であり、TMC-1 や Sgr B2 とは顕著に異なる。
• 炭素、窒素、酸素、ケイ素の同素体比は太陽値からずれており、z=0.89 の銀河が若年であることと、大質量星による核合成による元素増幅が支配的であることが原因とされる。
• 複数の分子種に起因する速度分散を考慮した保守的な上限として、z=0.89 における陽子対電子質量比 μ の変動に対する |Δμ/μ| < 4×10⁻⁶ が得られた。