[논문 리뷰] A cold metal-poor cloud traced by a weak MgII absorption at z~0.45. First detection of SiI, CaI and FeI in a QSO absorber

V. D’Odorico|ArXiv.org|2007. 05. 03.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 25인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 QSO HE0001-2340 방향의 z ≈ 0.452에서 중성 실리콘(Si I), 칼슘(Ca I), 철(Fe I)의 첫 번째 검출을 보고한다. 고해상도 UVES 분광법과 광이온화 모델링을 사용하여, 표준 핵합성 및 먼지 탈착 모델에 도전하는 극도로 낮은 마그네슘(Mg) 상대 농도를 가진 냉각되고 금속 농도가 낮은 구름를 규명하였으며, 관측된 이온 농도 비율을 설명하기 위해 복잡하고 비균일한 밀도 구조가 필요하다고 제안한다.

ABSTRACT

We present the observations of a weak MgII absorption system detected at z~0.452 in the UVES high resolution spectrum of the QSO HE0001-2340. The weaker of the two MgII components forming the system shows associated absorptions due to SiI, CaI and FeI observed for the first time in a QSO spectrum. We investigate the nature of this absorber by comparing its properties with those of different classes of absorbers (weak MgII, Damped Ly-alpha systems and local interstellar clouds) and reproducing its ionization conditions with photoionization models. The observed absorber belongs to the class of weak MgII systems on the basis of its equivalent width, however the relative strength of commonly observed transitions deviates significantly from those of the above mentioned absorbers. A rough estimate of the probability to cross such a system with a QSO line of sight is P~0.03. The presence of rare neutral transitions suggests that the cloud is shielded by a large amount of neutral hydrogen. A detailed comparison of the observed column densities with the average properties of damped Ly-alpha systems and local interstellar cold clouds shows, in particular, deficient MgII/MgI and CaII/CaI ratios in our cloud. The results of photoionization models indicate that the cloud could be ionized by the UV background. However, a simple model of a single cloud with uniform density cannot reproduce the observed ionic abundance ratios, suggesting a more complex density structure for the absorber. Supposing that ionization corrections are negligible, the most puzzling result is the underabundance of magnesium with respect to iron which is hard to explain both with nucleosynthesis and with differential dust depletion. [Abridged]

연구 동기 및 목표

• z ≈ 0.452에서 약한 Mg II 흡수선을 통해 희귀한 냉각되고 금속 농도가 낮은 간성간 구름를 규명하고 특성화하기.
• 관측된 이온 농도를 알려진 흡수체 유형과 비교하여 이 흡수체의 이온화 및 물리적 조건을 조사하기.
• 관측된 중성 종인 Si I, Ca I, Fe I가 높은 중성 수소 농도와 낮은 이온화 상태에 의해 보호된다는 것을 확인하기.
• 균일한 밀도를 가진 표준 광이온화 모델이 관측된 이온 농도 비율을 재현할 수 있는지 테스트하기.
• 이상적인 Mg/Fe 농도 비율의 기원을 탐색하여 핵합성 및 먼지 탈착 설명과의 일치를 도모하기.

제안 방법

• S/N ≈ 60–100인 QSO HE0001-2340에 대한 고해상도 UVES 분광법(R ≈ 45,000)을 사용하여 흡수선을 검출하였다.
• Mg I, Mg II, Si I, Ca I, Ca II, Mn II, Fe I, Fe II의 농도를 측정하기 위해 보이트 프로파일 피팅을 적용하였다.
• 곡선의 성장 분석을 통해, 특히 Fe II와 Mg II의 경우 농도 측정치가 유의미하게 과소평가되지 않았음을 확인하였다.
• 관측된 시스템을 ESO 대규모 프로그램의 28개 약한 Mg II 시스템과 24개의 문헌 자료, 11개의 덩크드 Lyα 시스템 및 44개의 은하계 선량 시선과 비교하였다.
• Cloudy를 사용하여 관측된 Mg I/Mg II, Ca I/Ca II, Fe I/Fe II 농도 비율을 재현하기 위해 광이온화 모델의 격자 계산을 수행하였다.
• 이온화 매개변수는 우주적 자외선 배경 스펙트럼을 기반으로 제약을 받았으며, J912는 로그 단위로 -22.3에서 -21.98 사이였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 희귀한 중성 종의 검출을 바탕으로, z ≈ 0.452에서 약한 Mg II 흡수체의 물리적 조건과 이온화 상태는 무엇인가?
• RQ2 이 시스템의 이온 농도 패턴은 덩크드 Lyα 시스템과 국지적 냉각 간성간 성운과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 균일한 밀도를 가진 표준 광이온화 모델이 관측된 Mg I/Mg II, Ca I/Ca II, Fe I/Fe II 농도 비율을 재현할 수 있는가?
• RQ4 왜 이 시스템에서 마그네슘은 철에 비해 극도로 부족한가? 이는 핵합성 및 먼지 탈착 모델과 어떻게 조화를 이룰 수 있는가?
• RQ5 QSO 선량 시선을 따라 이러한 희귀한 냉각되고 금속 농도가 낮은 구름를 만날 확률은 얼마인가?

주요 결과

• 이 시스템은 약한 Mg II 흡수체로 분류되지만, 철에 비해 마그네슘 농도가 극도로 낮으며, [Fe/H]는 -2.78에서 -3.78 사이로 추정되며, 이는 알려진 모든 DLA보다 낮다.
• Si I, Ca I, Fe I의 검출은 QSO 흡수체에서 이러한 관측이 처음이므로, 매우 보호된 낮은 이온화 환경임을 시사한다.
• Mg I/Mg II 및 Ca I/Ca II 비율은 일반적인 약한 Mg II 시스템과 덩크드 Lyα 시스템보다 최소 한두 개의 지수만큼 높아, 훨씬 낮은 이온화 상태임을 나타낸다.
• 균일 밀도 판을 가진 광이온화 모델은 관측된 세 가지 이온 비율을 동시에 재현할 수 없으며, 이는 복잡하고 비균일한 밀도 구조가 필요하다는 것을 의미한다.
• Mg 비율과 Ca 비율을 일치시키기 위해 필요한 수소 밀도는 각각 nH ≈ 10–60 cm⁻³ 및 150–1000 cm⁻³이며, Fe I/Fe II 비율은 더 높은 밀도(>1000 cm⁻³)를 요구한다. 이는 구조적 복잡성의 필요성을 강화한다.
• QSO 선량 시선을 따라 이러한 시스템을 만날 확률은 P ≈ 0.03로 추정되며, 이는 그 희귀성을 시사한다.