[論文レビュー] Warm ISM in the Sgr A complex - II. The [C/N] abundance ratio traced by [CII] 158 μm and [NII] 205 μm observations toward the Arched Filaments at the Galactic center

Pablo García, N. Abel+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 81被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、[CII] 158 μm放射の分離を、銀河中心のアーク状フィラメント（AF）において、[NII] 205 μm観測を用いてH II領域とPDRの寄与をモデル化することで実現した。その結果、[C/N] ≈ 1.13 ± 0.09および[N/H] ≈ 6.21 × 10⁻⁴が得られ、これは銀河バルジにおける二次的窒素生成による窒素の過剰を示しており、PDRが全[CII]放射の20–75%を占めていることが判明した。

ABSTRACT

Context. The Arches Cluster – Arched Filaments (AF) system is our Galaxy’s prime example of the complexity involved in the interaction between the strong radiation field of numerous OB stars and their surrounding ISM in extremely harsh environments such as the Galactic center (GC) of the Milky Way. It offers a unique opportunity to study the close relationship between photon-dominated regions (PDRs) and H II regions and their relative contributions to the observed [CII] emission.Aims. We aim to investigate the I ([CII]) versus I ([NII]) integrated intensity behavior in the AF region in order to assess the [CII] emission contribution from the H II region, which is traced by [NII] line observations, and PDR components in the high-metallicity environment of the GC.Methods. We used [CII] 158 μm and [NII] 205 μm fine structure line observations of the AF in the literature to compare their observational integrated intensity distribution to semi-theoretical predictions for the contribution of H II regions and adjacent PDRs to the observed [CII] emission. We explored variations in the [C/N] elemental abundance ratio to explain the overall behavior of the observed relationship. Based on our models, the H II region and PDR contributions to the observed [CII] emission is calculated for a few positions within and near to the AF. Estimates for the [C/N] abundance ratio and [N/H] nitrogen elemental abundance in the AF can then be derived.Results. The behavior of the I ([CII]) versus I ([NII]) relationship in the AF can be explained by model results satisfying 0.84 ⊙ to 2 Z ⊙ , hydrogen volume density log n (H) = 3.5, and ionization parameters log U from −1 to −2. A least-squares fit to the model data points yields log I ([CII]) = 1.068 × log I ([NII]) + 0.645 to predict the [CII] emission arising from the H II regions in the AF. The fraction of the total observed [CII] emission arising from within PDRs varies between ~0.20 and ~0.75. Our results yield average values for the carbon-to-nitrogen ratio and nitrogen elemental abundances of [C/N]AF = 1.13 ± 0.09 and [N/H]AF = 6.21 × 10−4 for the AF, respectively. They are a factor of ~0.4 smaller and ~7.5 larger than their corresponding Galactic disk values.Conclusions. The large spatial variation of the fraction of [CII] emission arising either from H II regions or PDRs suggests that both contributions must be disentangled before any modeling attempt is made to explain the observed [CII] emission in the AF. We suggest thatsecondary production of nitrogen from low- to intermediate-mass stars in the Galactic bulge is a plausible mechanism to explain the large abundance differences between the GC and the Galactic disk. The mass loss of such stars would enrich the GC ISM with nitrogen as the gas falls into the inner GC orbits where the AF are located. Overall, our results show that tight constraints are needed on the [C/N] abundance ratio for the GC, significantly tighter than previous abundance measurements have discerned.

研究の動機と目的

• 銀河中心のアーク状フィラメントにおける観測された[CII] 158 μm放射へのH II領域とPDRの寄与を分離すること。
• 微細構造線観測を用いて、高金属量環境である銀河中心における[C/N]濃度比を調査すること。
• 極端な環境におけるI([CII])対I([NII]))強度関係を形作るイオン化ガスおよび中性ガス成分の相対的役割を評価すること。
• アーキュエートドフィラメント（AF）における窒素濃度と[C/N]の制約を導出し、銀河ディスクの値と比較すること。
• 低〜中質量星からの二次的窒素生成が、銀河バルジにおける観測された濃度異常を説明する上で妥当なメカニズムであるかどうかを評価すること。

提案手法

• 文献に由来するアーク状フィラメントの既存の[CII] 158 μmおよび[NII] 205 μm微細構造線観測を用いた。
• 観測されたI([CII])対I([NII])強度分布を、H II領域および隣接するPDRの半理論的モデルと比較した。
• CII放射へのH II領域寄与を、累乗則フィット（log I([CII]) = 1.068 × log I([NII]) + 0.645）を用いてモデル化した。
• 異なる位置で、全[CII]放射のうちPDR由来の寄与割合が約20%から約75%の範囲で変動することを評価した。
• モデル予測を観測強度比にフィットさせることで、AFにおける[C/N]濃度比および[N/H]窒素濃度を推定した。
• 物理的状態を制約するため、イオン化パラメータ（log U：−1から−2）および水素体積密度（log n(H) = 3.5）を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アーク状フィラメントにおける観測された[CII]放射のうち、何パーセントがPDR由来で、何パーセントがH II領域由来であるか？
• RQ2 アーク状フィラメントにおける[C/N]濃度比は、銀河ディスクと比較してどう異なるか？ これは核合成に何を示唆するか？
• RQ3 異なるイオン化および密度条件の下で、H II領域およびPDRのモデルが観測されたI([CII]) 対 I([NII]))強度関係を説明できるか？
• RQ4 アーク状フィラメントにおける推定された窒素元素濃度[N/H]はどの程度か？ これは銀河ディスクの値と比較してどう異なるか？
• RQ5 低〜中質量星による二次的窒素生成が、銀河バルジにおける観測された濃度増加を説明する上で妥当なメカニズムと見なせるか？

主な発見

• アーク状フィラメントにおけるI([CII]) 対 I([NII])関係は、[C/N]が太陽値の0.84〜2.0倍、水素密度log n(H) = 3.5、イオン化パラメータlog Uが−1〜−2のモデルで最もよく説明される。
• データへの累乗則フィットにより、log I([CII]) = 1.068 × log I([NII]) + 0.645が得られ、AFにおけるH II領域からのCII放射を予測する関係式が得られた。
• PDR由来の全[CII]放射寄与割合は、空間的に約20%から75%の範囲で変動しており、寄与の局所的変動が顕著であることが示された。
• アーク状フィラメントにおける導出[C/N]濃度比は、[C/N]AF = 1.13 ± 0.09であり、これは銀河ディスク値のおよそ0.4倍である。
• AFにおける窒素元素濃度は、[N/H]AF = 6.21 × 10⁻⁴であり、銀河ディスク値と比較して約7.5倍高い。
• 結果から、銀河バルジにおける低〜中質量星の進化した星からの二次的窒素生成が、内側銀河中心における観測された窒素強化の妥当なメカニズムであると示唆された。