[論文レビュー] The Dense Gas Mass Fraction and the Relationship to Star Formation in M51

M. H. Heyer, Benjamin Gregg+16 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2022

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 75被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、大型ミリメートル望遠鏡を用いた高分解能12COおよびHCN J=1-0観測を用い、M51における凝縮ガス質量分率と星形成効率を調査した。凝縮ガス分率はスパイラル腕と間腕領域ではほぼ一定であるが、中心バルジでは圧力が上昇することで分子雲が自己重力的状態から拡散状態に移行し、凝縮ガスの星形成効率が低下する。高圧環境では凝縮ガスの星形成効率が低下する。

ABSTRACT

Observations of 12CO J=1-0 and HCN J=1-0 emission from NGC 5194 (M51) made with the 50~meter Large Millimeter Telescope and the SEQUOIA focal plane array are presented. Using the HCN to CO ratio, we examine the dense gas mass fraction over a range of environmental conditions within the galaxy. Within the disk, the dense gas mass fraction varies along spiral arms but the average value over all spiral arms is comparable to the mean value of interarm regions. We suggest that the near constant dense gas mass fraction throughout the disk arises from a population of density stratified, self gravitating molecular clouds and the required density threshold to detect each spectral line. The measured dense gas fraction significantly increases in the central bulge in response to the effective pressure, P_e, from the weight from the stellar and gas components. This pressure modifies the dynamical state of the molecular cloud population and possibly, the HCN emitting regions, in the central bulge from self-gravitating to diffuse configurations in which P_e is greater than the gravitational energy density of individual clouds. Diffuse molecular clouds comprise a significant fraction of the molecular gas mass in the central bulge, which may account for the measured sublinear relationships between the surface densities of the star formation rate and molecular and dense gas.

研究の動機と目的

• M51における環境的要因（圧力やスパイラル構造）が凝縮ガス質量分率および星形成効率に与える影響を調査すること。
• 凝縮ガス質量分率が異なる銀河的環境においても一定であるか、系atically 変化するかを特定すること。
• 外部圧力が分子雲の力学的状態を自己重力的状態から拡散的状態へ変化させることの役割を検討すること。
• 雲の状態転移が観測された星形成率と凝縮ガス面密度の非線形的スケーリングに与える影響を評価すること。
• HCN J=1-0線が中心バルジのような高圧領域における星形成に寄与する真の凝縮ガスを的確にトレースできるかを検証すること。

提案手法

• 50 mの大型ミリメートル望遠鏡を用い、SEQUOIA焦点面アレイで582 pcの分解能で12CO J=1-0およびHCN J=1-0の放射エミッションデータを取得した。
• LMTスペクトルラインソフトウェアを用いてデータを処理し、ベースライン補正と複数のマップの合成を実行し、スペクトルラインキューブを作成した。
• COおよびHCNデータをHCNの分解能（λ/D = 14′′）に合わせて再サンプリングし、スペクトル的に5 km s−1に平滑化して直接比較可能にした。
• ビーム効率およびメインビーム温度の補正を加えたHCN対COのラジアンス比を用いて凝縮ガス質量分率を計算した。
• GALEX、スパイクル、SDSSの光度測定から星形成率面密度を導出し、3.6 µm画像のGalfitモデリングにより星の質量面密度を算出した。
• Galfitモデル（バルジ、スパイラル、ディスク成分を含む）を用い、星の質量面密度と形状的特徴に基づいて領域をスパイラル腕、間腕、中心バルジに分類した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M51の異なる銀河的環境、特にスパイラル腕と間腕領域において、凝縮ガス質量分率はどのように変化するか？
• RQ2 外部圧力（Pe）は、分子雲の力学的状態およびHCN J=1-0放射による凝縮ガスの検出可能性にどのような役割を果たすか？
• RQ3 中心バルジのような高圧領域では、なぜ星形成率と凝縮ガス面密度の間に非線形的スケーリングが観測されるのか？
• RQ4 中心バルジにおける自己重力的状態から拡散的状態への雲の状態転移が、観測された凝縮ガス星形成効率の低下を説明できるか？
• RQ5 雲構造が動的に変化する高圧環境においても、HCN J=1-0線は凝縮ガスを信頼できるトレーサーとして機能するか？

主な発見

• M51のディスク部におけるスパイラル腕と間腕領域では、凝縮ガス質量分率がほぼ一定であり、両者の平均差は顕著でない。
• 星の質量面密度が500 M⊙/pc²を超える中心バルジでは、外部圧力が上昇することで凝縮ガス質量分率が急激に増加する。
• 自己重力的状態から拡散的状態への雲の状態転移は、星の質量面密度が400〜1000 M⊙/pc²の間で発生し、凝縮ガス星形成効率の低下が特徴である。
• 中心バルジでは、星形成が自己重力的で高密度なコンパクトコアに限定され、それらはHCN J=1-0放射に顕著に寄与しない。このため、SFEdenseが低下する。
• 高圧領域における星形成率と凝縮ガス面密度の非線形的スケーリングは、星形成に寄与しないがHCN放射に寄与する拡散的分子ガスの優位性に起因する。
• 中心バルジでは、自己重力的エネルギー密度（UG）が外部圧力（Pe）を下回り、自己重力的状態から圧力閉じ込め状態に雲構造が移行している。このため、星形成に対して相対的に検出可能な凝縮ガス放射が抑制される。