[論文レビュー] Planck's dusty GEMS. VI. Multi-J CO excitation and interstellar medium conditions in dusty starburst galaxies at z=2-4

R. Cañameras, C. Yang+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2018

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 112被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、赤方偏移z=2–4の11個の強くレンズ効果を受けるダストで覆われた星形成銀河について、IRAM 30-m望遠鏡を用いて多J CO線サーベイを実施し、30–1000 Kの運動温度と10^2.6–10^4.1 cm⁻³の密度を持つ非常に励起された分子ガスを明らかにした。主な発見は、これらの銀河が温かく密度の高いガス相と、やや冷たく低密度のガス貯留層を併せ持っており、後者のガスが全ガス質量の最大50％を占めていることである。これはPDRモデルと一致し、銀河の中心部における遠紫外放射場（FUV）が、のMilky Wayと比較して10²–10⁴倍強いことを示している。

ABSTRACT

We present an extensive CO emission-line survey of the Planck's dusty GEMS, a small set of 11 strongly lensed dusty star-forming galaxies at z = 2-4 discovered with Planck and Herschel satellites, using EMIR on the IRAM 30-m telescope. We detected a total of 45 CO rotational lines from Jup=3 to Jup=11, and up to eight transitions per source, allowing a detailed analysis of the gas excitation and interstellar medium conditions within these extremely bright, vigorous starbursts. We applied radiative transfer models using the large velocity gradient approach to infer the spatially-averaged molecular gas densities, $n_{H_2}$~10$^{2.6-4.1}$ cm$^{-3}$, and kinetic temperatures, $T_k$~30-1000 K. In five sources, we find evidence of two distinct gas phases with different properties and model their CO ladder with two excitation components. The warm (70-320 K) and dense gas reservoirs in these galaxies are highly excited, while the cooler (15-60 K) and more extended low-excitation components cover a range of gas densities. In two sources, the latter is associated with diffuse Milky Way-like gas phases, which provides evidence that a significant fraction of the total gas masses of dusty starburst galaxies can be embedded in cool, low-density reservoirs. Finally, we show that the CO line luminosity ratios are consistent with those predicted by models of photon-dominated regions and disfavor scenarios of gas clouds irradiated by intense X-ray fields from active galactic nuclei. By combining CO, [CI] and [CII] line diagnostics, we obtain average PDR gas densities significantly higher than in normal star-forming galaxies at low-redshift, and far-ultraviolet radiation fields at least 100 times more intense than in the Milky Way. These spatially-averaged conditions are consistent with those in high-redshift SMGs and in a range of low-redshift environments.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移のダストで覆われた星形成銀河における星間媒体（ISM）状態を、詳細なCO励起診断法を用いて特徴づけること。
• z=2–4の極端な星形成環境における分子ガスの物理的状態、特に密度、温度、励起状態を特定すること。
• これらの系において、冷たく低密度のガス相が全分子ガス質量に占める寄与を評価すること。
• CO線輝度比が光子支配領域（PDR）モデルと整合するか、あるいはAGNからのX線放射による代替メカニズムを支持するかを検証すること。

提案手法

• IRAM 30-m望遠鏡のEMIRを用いて、11個のレンズ効果を受ける銀河で、J_up=3からJ_up=11までの45本の回転遷移線を検出する広範なCO線放出サーベイを実施した。
• COスペクトル線エネルギー分布（SLED）から空間的に平均化された分子ガス密度（n_H₂）と運動温度（T_k）を導出するために、大速度勾配（LVG）放射輸送モデルを適用した。
• 5つの源で二成分励起モデルを用いて、物理的性質が異なる複数のガス相を考慮した。
• 同伴論文および文献からの[C i]および[C ii]線測定値と組み合わせ、ガス密度および遠紫外（FUV）放射場強度（G₀）を含むPDRモデルパラメータを導出した。
• レンズ効果の補正技術を用いて、内在する分子ガス質量を推定し、GBTからのCO(1–0)輝度と照合することで、拡散ガス相の存在を評価した。
• 輝度校正の妥当性を検証し、CO線比の乖離を、差圧的マグニフィケーション効果ではなく、低密度ガス貯留層の存在を示すものと解釈した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多J CO遷移線から明らかになる、z=2–4のダストで覆われた星形成銀河における分子ガスの物理的状態（密度、温度、励起）は何か？
• RQ2 これらの銀河は、励起特性が異なる複数のガス相を有しており、それらが全ガス質量に占める相対的寄与は何か？
• RQ3 観測されたCO線輝度比は、光子支配領域（PDR）モデルの予測と整合するか、それともAGNからのX線放射による代替の照射メカニズムを支持するか？
• RQ4 導出されたFUV放射場およびガス密度は、局所の星形成銀河や他の高赤方偏移のサブミリメートル銀河と比較してどう異なるか？
• RQ5 これらの系における全分子ガス質量のうち、冷たく低密度のガス相にどれほど分配されているか。また、CO輝度に基づく質量推定値にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 11個の源のうち9つで、COスペクトル線エネルギー分布（SLED）がJ_up=4からJ_up=7の間でピークを示し、これは星形成環境に特徴的な高い励起状態を示している。
• 分子ガスの空間的平均密度はn_H₂ ≈ 10^2.6–10^4.1 cm⁻³、運動温度はT_k ≈ 30–1000 Kであり、5つの源で70–320 K、n_H₂ ≈ 10^3.0–10^4.5 cm⁻³の温かく密度の高い成分が特定された。
• 2つの源で、n_H₂ ≈ 10^2.4–10^2.8 cm⁻³の冷たく低励起のガス相が検出され、これはミルキーウェイに類似した拡散ガスに似ており、全ガス質量の最大50％を占めている。
• 導出されたPDRガス密度（n_PDR ≈ 10^4–10^5 cm⁻³）は、局所の通常の星形成銀河よりも顕著に高く、極めて極端なISM状態を示している。
• 遠紫外（FUV）放射場は、のMilky Wayと比較して10²から10⁴倍強く、強い星形成とPDRモデルと整合している。
• モデルで予測されるCO(1–0)輝度は、5つの源でGBT測定値を下回っており、標準的なCOスケーリング関係では捉えきれない、顕著な拡散ガス貯留層が存在することを示唆している。