[논문 리뷰] A Herschel [CII] Galactic plane survey I: the global distribution of ISM gas components

J. L. Pineda, W. D. Langer외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 04. 29.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 78인용 수 140

한 줄 요약

이 연구는 허셜/HIFI를 이용해 은하수 평면 전역에서 [C II] 158 μm 복사의 속도 해상도를 갖춘 장위치-속도도를 처음으로 제시하며, 은하간 매질(ISM) 성분의 분리를 가능하게 한다. 이는 밀도 높은 광자 차폐 영역(PDRs)에서 [C II] 복사의 47%가 기인하며, CO-어두운 H₂가 은하수 분자의 30%를 차지하고 있으며, 은핵거리가 증가함에 따라 점점 더 우세해진다는 것을 드러낸다.

ABSTRACT

[Abridged] The [CII] 158um line is an important tool for understanding the life cycle of interstellar matter. Ionized carbon is present in a variety of phases of the interstellar medium, including the diffuse ionized medium, warm and cold atomic clouds, clouds in transition from atomic to molecular, and dense and warm photon dominated regions (PDRs). The Galactic Observations of Terahertz C+ (GOTC+) project surveys the [CII] line over the entire Galactic disk with velocity-resolved observations using the Herschel/HIFI instrument. We present the first longitude-velocity maps of the [CII] emission for Galactic latitudes b=0deg, +-0.5deg, and +-1.0deg. [CII] emission is mostly associated with spiral arms, mainly emerging from Galactocentric distances between 4 and 10 kpc. We estimate that most of the observed [CII] emission is produced by dense PDRs (47%), with smaller contributions from CO-dark H2 gas (28%), cold atomic gas (21%), and ionized gas (4%). Atomic gas inside the Solar radius is mostly in the form of cold neutral medium (CNM), while the warm neutral medium (WNM) gas dominates the outer galaxy. The average fraction of CNM relative to total atomic gas is 43%. We find that the warm and diffuse CO-dark H2 is distributed over a larger range of Galactocentric distances (4-11 kpc) than the cold and dense H2 gas traced by 12CO and 13CO (4-8kpc). The fraction of CO-dark H2 to total H2 increases with Galactocentric distance, ranging from 20% at 4 kpc to 80% at 10 kpc. On average, CO-dark H2 accounts for 30% of the molecular mass of the Milky Way. When the CO-dark H2 component is included, the radial distribution of the CO-to-H2 conversion factor is steeper than that when only molecular gas traced by CO is considered. Most of the observed [CII] emission emerging from dense PDRs is associated with modest far-ultraviolet fields in the range chi0~1-30.

연구 동기 및 목표

• 은하수 평면 전역에서 속도 해상도를 갖춘 [C II] 158 μm 복사로 인터스텔라 가스 성분의 전역 분포를 맵핑하기 위해.
• 선단면을 따라 다양한 ISM 상황—이온화된 기체, 냉각/온난한 원자성 기체, CO-어두운 H₂, 분자 기체—기여를 분리하기 위해.
• CO-어두운 H₂의 반경 방향 분포를 정량화하고, CO-to-H₂ 변환 계수에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 관측된 선비율을 사용하여 [C II]와 CO로 추적된 영역에서의 원거리 자외선 복사장 강도(χ₀)를 추정하기 위해.
• 전체 H₂ 예산에 CO-어두운 H₂를 포함시켜 분자 기체 질량 추정의 정확도를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 허셜/HIFI 기구를 사용하여 은하수 위도 b = 0°, ±0.5°, ±1.0°에서 [C II] 158 μm 복사의 속도 해상도 맵을 확보하였다.
• H i 21 cm, 12 CO, 13 CO 선 데이터와 [C II] 데이터를 융합하여 속도 및 공간 분해를 통해 ISM 성분을 분리하였다.
• [C II]/12 CO 강도 비율을 사용하여 밀도 높은 PDR에서의 원거리 자외선 복사장(χ₀)을 추정하였으며, PDR 모델 예측과 비교하였다.
• 다중 성분 분해를 적용하여 냉각 중성 매질(CNM), 온난 중성 매질(WNM), CO-어두운 H₂의 기여를 고립하였다.
• CO-어두운 H₂ 포함 여부에 따라 CO-to-H₂ 변환 계수(X_CO)를 계산하여 그 반경 방향 의존성을 평가하였다.
• PDR 모델(Kaufman et al. 1999)을 사용하여 관측된 [C II]/12 CO 비율을 H₂ 체적 밀도와 χ₀로 해석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하수 평면 전역에서 [C II] 복사의 공간적 및 속도 분포는 어떻게 되며, 이를 통해 어떤 ISM 성분을 추적할 수 있는가?
• RQ2 총 [C II] 복사의 몇 퍼센트가 밀도 높은 PDRs, CO-어두운 H₂, 냉각 원자성 기체, 이온화 기체에서 기인하는가?
• RQ3 CO-어두운 H₂의 분포는 은핵거리에 따라 어떻게 변화하며, 은하수 전체 분자 기체 질량의 몇 퍼센트를 차지하는가?
• RQ4 CO-어두운 H₂를 포함시키면 CO-to-H₂ 변환 계수의 반경 방향 경향은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ5 밀도 높은 PDR에서 [C II] 복사와 관련된 일반적인 원거리 자외선 복사장(χ₀)은 어느 정도인가?

주요 결과

• 대부분의 [C II] 복사(47%)는 밀도 높은 광자 차폐 영역(PDRs)에서 기인하며, CO-어두운 H₂(28%), 냉각 원자성 기체(21%), 이온화 기체(4%)로부터도 상당한 기여가 있다.
• CO-어두운 H₂는 은하수 전체 분자 기체 질량의 약 30%를 차지하며, 은핵거리가 4 kpc일 때 약 20%에서 10 kpc일 때 약 80%로 증가한다.
• 온난하고 희박한 CO-어두운 H₂는 냉각되고 밀도 높은 H₂를 12 CO 및 13 CO로 추적하는 것보다 더 넓은 반경 범위(4–11 kpc)에 걸쳐 퍼져 있다.
• CO-to-H₂ 변환 계수는 은핵거리가 증가함에 따라 증가하며, CO-어두운 H₂를 포함시키면 기울기가 더 급격해지며, 금속성 농도 및 열압력 기울기의 병합 효과를 반영한다.
• [C II]/12 CO 비율은 대부분의 [C II] 복사가 밀도 높은 PDR에서 중간 정도의 원거리 자외선 복사장 조건에서 발생하며, χ₀ ≈ 1–30로 간주되며, 은핵거리에 따라 독립적임을 시사한다.
• 태양계 반경 이내(R < 8 kpc)에서는 냉각 중성 매질(CNM)이 원자 기체의 43%를 차지하며, 외부 은하에서는 온난 중성 매질(WNM)이 지배한다.