[論文レビュー] The IRAM M33 CO(2-1) Survey - A complete census of the molecular gas out to 7 kpc

C. Druard, J. Braine+12 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2014

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 50被引用数 105

ひとこと要約

本論文は、M33銀河における完全で高分解能（12"；〜50 pc）なCO(2–1)調査を提示し、20.3 mKのノイズ（2.6 km s⁻¹チャンネルあたり）で7 kpcまで分子ガスをマッピングした。H iデータを用いて速度基準面を定義することで、全分子ガス質量は3.1 × 10⁸ M⊙、CO(2–1)/CO(1–0)線幅比は低め（〜0.8）、H₂面密度の確率密度関数は自己重力に起因する高面密度過剰を示し、誤差ビームの影響によるものではない。H iが乏しい領域には分子ガスの痕跡は認められない。

ABSTRACT

In order to study the ISM and the interplay between the atomic and molecular components in a low-metallicity environment, we present a complete high angular and spectral resolution map and data cube of the 12CO(2-1) emission from the Local Group galaxy M33. Its metallicity is roughly half-solar, such that we can compare its ISM with that of the Milky Way with the main changes being the metallicity and the gas mass fraction. The data have a 12" angular resolution (50pc) with a spectral resolution of 2.6 km/s and a mean noise level of 20 mK per channel in antenna temperature. A radial cut along the major axis was also observed in the 12CO(1-0) line. The CO data cube and integrated intensity map are optimal when using HI data to define the baseline window and the velocities over which the CO emission is integrated. Great care was taken when building these maps, testing different windowing and baseline options and investigating the effect of error beam pickup. The total CO(2-1) luminosity is 2.8e7 K km/s pc2, following the spiral arms in the inner disk. There is no clear variation in the CO(2-1/1-0) intensity ratio with radius and the average value is roughly 0.8. The total molecular gas mass is estimated, using a N(H2)/Ico(1-0)=4e20 cm-2/(K km/s) conversion factor, to be 3.1e8 Msol. The CO spectra in the cube were shifted to zero velocity by subtracting the velocity of the HI peak from the CO spectra. Hence, the velocity dispersion between the atomic and molecular components is extremely low, independently justifying the use of the HI line in building our maps. Stacking the spectra in concentric rings shows that the CO linewidth and possibly the CO-HI velocity dispersion decrease in the outer disk. Using the CO(2-1) emission to trace the molecular gas, the probability distribution function of the H2 column density shows an excess at high column density above a log normal distribution.

研究の動機と目的

• M33における分子ガスを、低金属量環境で高感度・高解像度で調査するため、7 kpcまで延びる完全なCO(2–1)放射のマップを取得すること。
• H iとCOの速度構造および空間的分布を比較することで、原子ガス（H i）と分子ガス（CO）の関係を調査すること。
• H iデータを基準として誤差ビームの影響を定量的に評価することで、低レベルの拡散CO放射の真正性を検証すること。
• CO-からH₂への換算係数を用いて、分子ガス質量と表面密度プロファイルを決定し、ディスク全体におけるCO(2–1)/CO(1–0)線幅比を検討すること。
• CO放射から導かれるH₂面密度の確率分布関数（PDF）を分析し、分子雲構造における自己重力の役割を探ること。

提案手法

• 12"の角分解能を持つCO(2–1)調査を、IRAM 30 m電波望遠鏡とHERA受信器アレイを用いて実施し、2400" × 3400"のマップで2000万以上の独立したダンプを観測した。
• データキューブは、H iラインデータを用いて速度基準面と積分ウィンドウを定義することで作成され、ベースライン誤差を低減し、CO放射のSN比を向上させた。
• 誤差ビームの影響は、H iピーク輝度が10 K未満の領域におけるCO放射の比較により定量化され、検出されたCOが実際の分子ガス由来か、装置上のアーチファクトかを評価した。
• CO(2–1)の統合輝度マップとデータキューブは、慎重なベースライン処理とウィンドウ処理技術を用いて作成され、複数回のリダクション試行による妥当性が確認された。
• H₂面密度PDFは、ノイズの高い縁を除いたCOマップから導出され、高面密度領域でのずれを特定するため、対数正規関数でフィッティングされた。
• CO(2–1)/CO(1–0)線幅比はディスク全体で測定され、全データセットに平均値0.8が適用された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M33のH iが乏しい領域に分子ガスが検出されるか、それとも観測されたCO放射はH iラインからの誤差ビームの影響によるものか？
• RQ2 M33の全分子ガス質量は何か？ また、その表面密度プロファイルは、銀河中心からの半径に応じてどのように変化するか？
• RQ3 M33全域における原子ガスと分子ガスの速度分散を比較すると、それらの動的結合性にどのような示唆が得られるか？
• RQ4 H₂面密度の確率分布関数（PDF）は、高面密度領域で対数正規分布からずれるか？ もしそうなら、その物理的メカニズムは何か？
• RQ5 CO(2–1)/CO(1–0)線幅比はM33全域で一定か、それとも半径や環境に応じて系統的に変化するか？

主な発見

• 全CO(2–1)輝度は2.8 × 10⁷ K km s⁻¹ pc²であり、N(H₂)/ICO(1–0) = 4 × 10²⁰ cm⁻²/(K km s⁻¹)の換算係数を用いることで、分子ガス質量は3.1 × 10⁸ M⊙に相当する。
• 分子ガス表面密度は半径に伴い指数関数的に減少し、減衰長尺度は2.1 kpcであった。
• 全ディスクにわたってスペクトルをスタックした場合、CO(2–1)線の半値全幅は12.4 km s⁻¹であり、原子ガスと分子ガスの成分間に非常に低い速度分散が示された。
• H iピーク輝度が10 K未満の領域では、顕著なCO放射は検出されず、これによりそのような領域における観測CO放射は誤差ビームの影響と一致しており、実際の分子ガス由来ではないと示唆された。
• H₂面密度PDFは低面密度領域で明確な対数正規分布を示したが、〜1.7 × 10²¹ cm⁻²以上で顕著な過剰が認められ、高面密度尾部では指数の勾配s ≈ −2.4のべき乗則的分布を示した。これは自己重力に起因すると考えられる。
• CO(2–1)/CO(1–0)線幅比はディスク全体で変動を示したが、平均値は0.8であり、半径方向の系統的傾向は認められず、全質量推定に定数比を用いることが妥当であると支持された。