[論文レビュー] The coupling of dynamics and molecular chemistry in galaxies

F. Combes|ArXiv.org|Sep 24, 2007

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、星形成銀河（PDR）とAGN（XDR）環境を区別するための、特にHCN、HCO⁺およびCOの分子線比率が、銀河内の高密度ガスおよび物理的状態の診断にどのように用いられるかをレビューしている。ULIRGにおけるHCN/CO比が0.3を超えるのは、高密度ガスそのものではなくXDR化学によるものであり、HCNを星形成トレーサーとして用いる際に、その解釈に曖昧さが生じることを示している。

ABSTRACT

While the best tracer of the molecular component and its dynamics in galaxies is the CO molecule, which excitation is revealed by its isotopic and (2-1)/(1-0) ratios, the denser gas is revealed by molecules such as HCN, HNC, HCO+ or CN, which are now widely used to probe star formation regions, or to quantify the impact of the nuclear activity on the interstellar medium. This paper reviews recent observations in nearby galaxies, where these molecular line ratios serve as diagnostic tools of the physical conditions of the gas and also of its chemical properties. Those differ significantly according to the proximity of an AGN or of a starburst. The origin of the differences is not yet well known and could be due to different densities, temperatures, chemical abundances or non-collisional excitation of the gas (e.g. Aalto et al 2007, Krips et al 2007). HCN or HNC line enhancements can be caused not only by higher gas densities/temperatures, but also UV/X-ray radiation, and global IR pumping. The chemistry can be dominated by PDR regions near a starburst, or X-ray dominated in a molecular torus surrounding an AGN (XDR regions). The molecular line ratios expected in those regions vary according to the different models (Meijerink et al. 2007).

研究の動機と目的

• 外部銀河における銀河力学（衝撃波、ばり、アウトフロー）と分子化学の連携を理解すること。
• ULIRGにおけるHCN発光の増強を、高密度ガストレーサーとしての解釈とX線支配領域（XDR）の兆候としての解釈の二択に曇りを生じさせることを解消すること。
• 星形成銀河とAGN環境におけるPDR（UV放射照射）とXDR（X線放射照射）化学モデルを比較すること。
• HCN/COやHCO⁺/COなどの分子線比が星形成および核活動のトレーサーとしてどれほど信頼できるかを評価すること。

提案手法

• 近傍銀河（NGC 253、M82、NGC 1068）におけるIRAM、ALMAその他の望遠鏡からの高分解能分子線観測の分析。
• 35種の新しい銀河外物質および13種の同位体置換体（HCN、HNC、HCO⁺、CN、SiO、および複雑な有機化合物を含む）を同定するための多ライン分子サーベイの実施。
• 観測された線比（例：HCN/CO、HCO⁺/CO、HCN/HCO⁺）をPDRおよびXDRモデルの予測と比較すること。
• X線およびUV放射照射が分子豊度に与える影響のモデル化、非衝突的励起およびダスト粒子表面化学（例：PAHの破壊）を含む。
• CO(1-0)、CO(2-1)およびHCN(1-0)の輝度比を用いて、ガス密度、温度および励起状態を追跡すること。
• SiO、HCNおよびHCO⁺の放射の空間分解能マッピングにより、衝撃領域、アウトフローおよび核ディスクを同定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ULIRGにおけるHCNおよびHCO⁺の増強発光は、高密度ガスの形成に起因するのか、それともXDR領域におけるX線駆動化学に起因するのか？
• RQ2 PDRおよびXDRモデルは、HCN/COおよびHCO⁺/COなどの分子線比をどのように異なるように予測するか？
• RQ3 ばり、アウトフロー、または超新星からの衝撃波が、星形成銀河におけるSiOおよび他の衝撃トレーサーの増強にどの程度寄与するか？
• RQ4 なぜPDRモデルは、M82の星形成ディスクにおける観測されたHCO⁺およびCO⁺の高濃度を再現できないのか？
• RQ5 HCN/CO比だけでは、銀河核における星形成とAGN活動を区別できるのか？

主な発見

• ULIRGではHCN/CO比が0.3を超えることが確認され、これは高密度ガスそのものではなくXDR化学の支配を示しており、HCNを純粋な星形成トレーサーとして用いることの妥当性を疑問視する。
• Gracia-Carpioら（2006）の報告によると、ULIRGにおけるHCO⁺/CO比は低く、これはHCNの増強が高ガス密度に起因するのではなく、X線駆動化学によるものである可能性を示唆している。
• NGC 253におけるSiO発光は、ばりに起因する衝撃波およびクラウド・クラウド衝突に起因し、核周辺ディスクにおける濃度は約10⁻⁹であり、PDRと比べてはるかに高い。
• HCN/CO(1-0)比は赤外線輝度に伴い増加し、LIRと相関を示すが、この相関は高密度ガスや星形成率ではなくXDR化学に起因する可能性がある。
• XDRモデルはPDRよりも高いCO励起状態およびより温かいCO分子を予測しており、XDR領域における観測された低CO(1-0)/H₂比を説明できる。
• PDRモデルは、M82における観測されたHCO⁺およびCO⁺の濃度を再現できないため、PAHの破壊や非熱的励起といった、物理的プロセスの欠落が原因である可能性がある。