[論文レビュー] Physical conditions in the gas phases of the giant HII region LMC-N11 unveiled by Herschel - I. Diffuse [CII] and [OIII] emission in LMC-N11B

V. Lebouteiller, D. Cormier+11 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 66被引用数 45

ひとこと要約

本研究では、大マグラル・クラウドのLMC-N11B HII領域におけるHerschel/PACSの遠赤外マップを用いて、[C II] 157 μmおよび[O III] 88 μm線の起源を解き明かした。光学的トレーサーおよび光電離モデルと比較した結果、[C II]の95％が光子支配領域（PDRs）由来であるのに対し、[O III] 88 μmは拡張した低密度の電離ガスを示しており、密度の高いPDRでは[O I] 63 μmが冷却の50％まで寄与している。結果として、PAHsは全赤外放射よりもPDR内のガス加熱をよりよくトレースしており、光電離効率は約7％であることが示された。

ABSTRACT

(Abridged) The Magellanic Clouds provide a nearby laboratory for metal-poor dwarf galaxies. The low dust abundance enhances the penetration of UV photons into the interstellar medium (ISM), resulting in a relatively larger filling factor of the ionized gas. Furthermore, there is likely a hidden molecular gas reservoir probed by the [CII]157um line. We present Herschel/PACS maps in several tracers, [CII], [OI]63um,145um, [NII]122um, [NIII]57um, and [OIII]88um in the HII region N11B in the Large Magellanic Cloud. Halpha and [OIII]5007A images were used as complementary data to investigate the effect of dust extinction. Observations were interpreted with photoionization models to infer the gas conditions and estimate the ionized gas contribution to the [CII] emission. Photodissociation regions (PDRs) are probed through polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). We first study the distribution and properties of the ionized gas. We then constrain the origin of [CII]157um by comparing to tracers of the low-excitation ionized gas and of PDRs. [OIII] is dominated by extended emission from the high-excitation diffuse ionized gas; it is the brightest far-infrared line, ~4 times brighter than [CII]. The extent of the [OIII] emission suggests that the medium is rather fragmented, allowing far-UV photons to permeate into the ISM to scales of >30pc. Furthermore, by comparing [CII] with [NII], we find that 95% of [CII] arises in PDRs, except toward the stellar cluster for which as much as 15% could arise in the ionized gas. We find a remarkable correlation between [CII]+[OI] and PAH emission, with [CII] dominating the cooling in diffuse PDRs and [OI] dominating in the densest PDRs. The combination of [CII] and [OI] provides a proxy for the total gas cooling in PDRs. Our results suggest that PAH emission describes better the PDR gas heating as compared to the total infrared emission.

研究の動機と目的

• 低金属量のHII領域N11Bにおける拡散的遠赤外（FIR）冷却線放射の起源を特定すること。
• [O III] 88 μmや[N II] 122 μmといった低臨界密度・光学的薄いトレーサーを用いて、電離ガスの体積率を制約すること。
• 電離ガス、PDR、中性ガスが[C II] 157 μm放射に与える寄与を分離すること。これは低金属量環境における主要な冷却メカニズムである。
• PDR内のガス加熱に寄与するPAHsと、TIRで示されるダスト（TIR）の相対的な重要性を評価すること。

提案手法

• Herschel/PACSは、N11Bにおける複数のFIR線の空間分解マップを観測した：[C II] 157 μm、[O I] 63および145 μm、[N II] 122 μm、[N III] 57 μm、および[O III] 88 μm。
• 光学的Hαおよび[O III] 5007 Å画像を用いて、ダストの消光を評価し、特に[O III] 88 μmに対してFIR線放射と比較した。
• 光電離モデルを適用して[O III] 88 μm放射を解釈し、電離ガス密度とイオン化パラメータを推定した。これは、確認済みのすべてのO型星からの寄与を仮定した。
• PDRの状態は、PDR内のガス加熱をトレースする多環芳香族炭化水素（PAHs）のスパッツァー宇宙望遠鏡観測を用いて調査した。
• [C II] + [O I] 63 μm放射をPAHおよび全赤外（TIR）放射と比較し、冷却と加熱効率の相関関係を評価した。
• PAHおよびダスト粒子の光電離効率を推定するために、ガス冷却（[C II] + [O I]）と加熱トレーサー（PAHおよびTIR）を比較し、比値（[C II] + [O I]）/PAHおよび（[C II] + [O I]）/TIRを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 N11Bにおける[C II] 157 μm放射の何パーセントがPDR由来であり、何パーセントが電離ガス由来であるか？
• RQ2 [O III] 88 μm線は、HII領域内の拡張した低密度電離ガスをどのようにトレースするか？これにより、電離ガスの体積率はどのような情報を示すか？
• RQ3 PAHsは、[C II] + [O I]を介したガス冷却と比較して、全赤外放射よりもどれほど相関しているか？これはガス加熱メカニズムにどのような示唆を与えるか？
• RQ4 ダストの消光は、電離ガス放射をどの程度遮蔽しているか？これは観測された[O III] 88 μmと光学的[O III] 5007 Å線の比にどのように影響するか？
• RQ5 [O III] 88 μmおよび[N III]/[N II]比から推定される電離ガスの物理的状態（密度、イオン化パラメータ）は、O型星からの期待値と一致するか？

主な発見

• [O III] 88 μm線はN11Bで最も明るいFIR線であり、[C II] 157 μmの約4倍明るく、低密度で高励起の電離ガスからの拡張放射が支配的である。
• 星団LH 10および領域W2におけるダストの消光はA_V ≈ 1と推定され、これは光学的領域で約半分の電離ガス放射が遮蔽されていることを示しており、ダスト質量もこの消光と整合的である。
• [O III] 88 μm放射の空間的広がりは、電離ガス密度が大スケールで≤16 cm⁻³であれば、確認済みのすべてのO型星からの電離に一致する。
• N11B全域で[C II] 157 μm放射の95％がPDR由来であり、星団LH 10付近の電離ガスからの寄与は最大15％にとどまる。
• [C II] + [O I] 63 μmとPAH放射の間にはきつい相関が認められ、希薄なPDRでは[C II]が冷却を支配し、最も密度の高いPDR領域では[O I] 63 μmが冷却に最大50％寄与している。
• PAHsがPDR内のガス加熱を支配しており、光電離効率は約7％であり、全赤外放射（TIR）からの推定値（約0.6％）よりも顕著に高い。これは、PAHsがダスト支配のTIRよりもPDR加熱をより良いトレーサーとして用いることができることを示唆している。