[論文レビュー] Spotting high-z molecular absorbers using neutral carbon: Results from a complete spectroscopic survey with the VLT

P. Noterdaeme, C. Ledoux+5 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Jan 25, 2018

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 43被引用数 25

ひとこと要約

本研究では、中性炭素（C I）線を用いて選別された39個の高赤方偏移クェเซア吸収体について、包括的な分光的調査を実施した。その結果、12系統（うち7例が新規検出）でH₂が検出され、7系統でCOが検出された。N(CO)–N(C I)間に強い相関（r = 0.88）が確認された。これらの結果は、C I選別系がH I–H₂遷移層より深く分子ガスにまで達していることを裏付け、C Iが高赤方偏移における高金属量分子吸収体を効率的に特定するための優れたプロキシとして有効であることを示している。

ABSTRACT

While molecular quasar absorption systems provide unique probes of the physical and chemical properties of the gas as well as original constraints on fundamental physics and cosmology, their detection remains challenging. Here we present the results from a complete survey for molecular gas in thirty-nine absorption systems selected solely upon the detection of neutral carbon lines in SDSS spectra, without any prior knowledge of the atomic or molecular gas content. H2 is found in all twelve systems (including seven new detections) where the corresponding lines are covered by the instrument setups and measured to have log N(H2)>=18, indicating a self-shielded regime. We also report seven CO detections (7/39) down to log N(CO)~13.5, including a new one, and put stringent constraints on N(CO) for the remaining 32 systems. N(CO) and N(CI) are found to be strongly correlated with N(CO)/N(CI)~1/10. This suggests that the CI-selected absorber population is probing gas deeper than the HI-H2 transition in which a substantial fraction of the total hydrogen in the cloud is in the form of H2. We conclude that targeting CI-bearing absorbers is a very efficient way to find high-metallicity molecular absorbers. However, probing the molecular content in lower metallicity regimes as well as high column density neutral gas remains to be undertaken to unravel the processes of gas conversion in normal high-z galaxies

研究の動機と目的

• VLT機器を用いて、39個のC I選別高赤方偏移吸収体の完全なフォローアップ調査を実施し、それらの分子含有量を調査すること。
• C I吸収が、高赤方偏移銀河における分子ガスを特定するための信頼できるプロキシとして機能するかどうかを検証すること。
• 特にCOおよびH₂の縦断密度を含め、これらの系の物理的状態および分子濃度を特定すること。
• C I、CO、H₂の縦断密度の関係を調査し、高赤方偏移雲におけるISM構造および遮蔽の意味を評価すること。
• 従来のH₂またはCOベースの探索と比較して、C I選別が分子吸収体を検出する効率性を評価すること。

提案手法

• SDSS調査から中性炭素線の検出に基づいて選別された39個のC I吸収体を対象とし、原子的・分子的含有量についての事前知識なしに選別した。
• VLTのUVES（R ~ 50,000）およびX-shooter（R ~ 5,000）を用いて、高分解能分光測定を実施し、H₂およびCO線の検出を試みた。
• 吸収線プロファイルからN(H₂)、N(CO)、N(C I)の縦断密度を測定し、必要に応じて放射輸送および励起モデルを適用した。
• Spearman順位相関分析を用いて、N(CO)とN(C I)の関係を評価し、上限および下限値を含めた分析を行った。
• 吸収体雲の物理的状態および遮蔽状態を評価するため、ほこりの赤方偏移および金属量指標を比較した。
• 理論的雲モデルとの比較を用いて、CO/H₂濃度比の金属量および遮蔽依存性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 C I吸収は、高赤方偏移分子吸収体を特定するための信頼できる選別基準として利用可能か？
• RQ2 C I選別系におけるCOおよびC I縦断密度の相関関係は何か？ これは吸収ガスの物理的構造にどのような含意をもたらすか？
• RQ3 C I選別系におけるH₂およびCO縦断密度は、他のDLA集団と比較してどのように異なるか？ これは分子ガス分布に関する何を明らかにするか？
• RQ4 CO検出確率は、C I縦断密度が高いほど顕著に上昇するか？ また、CO検出確率が著しく上昇するN(C I)の閾値は何か？
• RQ5 高赤方偏移分子吸収体におけるCO/H₂濃度比は何か？ 金属量および遮蔽に応じてどのように変化するか？

主な発見

• 39系統中12系統（うち7例が新規検出）でH₂が検出され、log N(H₂) ≥ 18であった。これは自己遮蔽された分子ガスを示している。
• 39系統中7系統でCOが検出され、検出限界はlog N(CO) ~ 13.5まで達した。N(CO)とN(C I)の間に強い相関（Spearman r = 0.88、2.6σの有意性）が確認された。
• N(C I) ~ 5 × 10¹⁴ cm⁻²を超えるとCO検出確率が顕著に上昇し（6/12検出）、log N(C I) < 14.4の18系統ではCO検出は一切なかった。
• すべての検出においてCO/C I濃度比は一貫して~0.1であった。これは、C I選別系がH I–H₂遷移層よりも深くガスに達していることを示している。
• COおよびH₂が両方検出された系ではCO/H₂比が低く（~[3–9] × 10⁻⁶）、COが常に全H₂質量のトレーサーとして信頼できるとは限らないことが示された、高H₂系であっても同様である。
• COを含む系は、COを含まないH₂系と比較して、系の系統的高いほこりの赤方偏移を示しており、これは密度が高く遮蔽された分子コアが存在することを支持している。