[논문 리뷰] A large CO and HCN line survey of Luminous Infrared Galaxies

Panagiotis Papadopoulos, T. R. Greve외 4명|arXiv (Cornell University)|2007. 01. 29.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 현재까지 가장 큰 외성간 분자선 조사로, JCMT와 IRAM 30미터 망원경을 사용하여 30개의 루미노스 인프라레드은하(LIRGs)에서 CO와 HCN의 다중 전이 상태를 통합한 것이다. 연구 결과, 흥분 보정이 없는 한 HCN J=1–0 선 루미노시티는 밀도 높은 가스 질량의 우수한 추적자로 작용하지 않으며, 일부 ULIRGs의 저흥분 분자가스 저축은 고적색도 유사체를 고-J CO 선으로 탐지하는 데 강한 편향을 초래할 수 있음을 밝혔다.

ABSTRACT

A large CO, HCN multi-transition survey of 30 Luminous Infrared Galaxies ($ m L_{IR}>10^{11} L_{\odot}$) is nearing completion with the James Clerk Maxwell Telescope (JCMT) on Mauna Kea (Hawaii), and the IRAM 30-meter telescope at Pico Veleta (Spain). The CO J=1--0, 2--1, 3--2, 4--3,6--5, $ ^{13}$CO J=2--1, HCN J=1--0, 3--2, 4--3 observations, resulting from $\sim 250$ hours of JCMT, $\sim 100$ hours of 30-m observing time and data from the literature constitute {\it the largest extragalactic molecular line survey to date}, and can be used to address a wide range of issues and eventually allow the construction of reliable Spectral Line Energy Distributions (SLEDs) for the molecular gas in local starbursts. First results suggest that: a) HCN and HCO$^+$ J=1--0 line luminosities can be poor mass estimators of dense molecular gas ($ m n\geq 10^4 cm^{-3}$) unless their excitation is accounted for, b) CO cooling of such gas in ULIRGs may be comparable to that of the CII line at $ m 158 μm$, and c) low excitation of the {\it global} molecular gas reservoir remains possible in such systems. In such cases the expected low CO $ m J+1 o J$ line luminosities for $ m J+1\geq 4$ can lead to a strong bias against their detection from ULIRGs at high redshifts.

연구 동기 및 목표

• 다중 전이 CO와 HCN 선 관측을 통해 국지 LIRGs에서 밀도 높은 분자가스(n ≥ 10⁴ cm⁻³)의 흥분도와 질량을 특성화하기 위해.
• 흥분 효과를 고려한 HCN 및 HCO⁺ J=1–0 선이 밀도 높은 분자가스 질량 추적자로서 신뢰성 있는지 평가하기 위해.
• CO와 CII 선 냉각 효율을 비교하여 ULIRGs에서 분자가스의 열평형을 조사하기 위해.
• 별성폭풍 은하에서 저흥분 분자가스 저축이 얼마나 흔한지와 고적색도 탐지에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 향후 고적색도 조사에 활용할 수 있도록 국지 별성폭풍 분자가스의 신뢰할 수 있는 스펙트럼선 에너지분포(SLEDs)를 구축하기 위해.

제안 방법

• JCMT와 IRAM 30미터 망원경을 사용하여 30개의 LIRGs에서 다중 전이 CO(J=1–0, 2–1, 3–2, 4–3, 6–5, 13CO J=2–1) 및 HCN(J=1–0, 3–2, 4–3) 선 조사를 실시하였다.
• JCMT 약 250시간, 30미터 망원경 약 100시간의 관측 시간을 확보하였으며, 문헌 자료도 보완적으로 활용하였다.
• 관측된 선 비율에서 기체 밀도, 운동온도, 광학적 두께를 제약하기 위해 대규모 속도 기울기(LVG) 복사전달 모델을 사용하였다.
• CO J=4–3 및 J=6–5 선 루미노시티를 CII 158 μm 선 냉각과 비교하여 분자가스의 열평형 상태를 평가하였다.
• HCN 및 HCO⁺ 선 비율 경향(예: (4–3)/(1–0))을 분석하여 분자 간 기체 밀도 및 흥분도의 차이를 추론하였다.
• 저흥분 시스템(예: IRAS 05189-2524)에서 예상되는 고-J CO 선 루미노시티를 일반적인 조사 감도 한계와 비교하여 탐지 편향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 흥분 효과를 고려하지 않은 상태에서 HCN J=1–0 선 루미노시티가 LIRGs에서 밀도 높은 분자가스 질량을 얼마나 신뢰성 있게 추적할 수 있는가?
• RQ2 유사한 적외선 및 CO J=1–0 루미노시티를 가진 ULIRGs에서 고-J CO 및 HCN 선의 흥분도는 어떻게 다를까?
• RQ3 ULIRGs에서 CO와 CII 선이 총 분자가스 냉각에 기여하는 비율은 얼마이며, 이는 낮은 루미노시티 시스템과 비교해 열평형을 어떻게 변화시키는가?
• RQ4 저흥분 분자가스 저축은 LIRGs에서 얼마나 흔한가, 그리고 고적색도 유사체를 고-J CO 복사로 탐지하는 데 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 HCN 및 HCO⁺ 선 비율은 서로 다른 밀도 높은 가스 상을 구분할 수 있는가, 그리고 HCN은 ULIRGs에서 가장 밀도 높은 성분을 추적하는가?

주요 결과

• 흥분 효과를 명시적으로 고려하지 않은 한 HCN J=1–0 선 루미노시티는 밀도 높은 가스 질량(n ≥ 10⁴ cm⁻³)의 우수한 추적자로 작용하지 않는다.
• Arp 220과 NGC 6240에서 HCN (4–3)/(1–0) 선 비율(0.6–0.8)은 HCO⁺ (4–3)/(1–0) 비율(0.21–0.33)보다 뚜렷이 높아, HCN이 더 밀도 높은 가스 상을 추적하고 있음을 시사한다.
• Mrk 231에서 CO J=4–3 및 J=6–5 선은 밀도가 높고(기체 밀도 n ~ 1–3×10⁴ cm⁻³), 중간 온도(Tₖ ~ 50–70 K)의 가스 상에서 기인하며, 이 가스 상의 총 CO 선 냉각 능력은 CII 158 μm 선과 유사하다.
• IRAS 05189-2524는 저흥분 CO 선 비율(CO(J+1–J)/(1–0) ≤ 0.01, J+1 ≥ 4)을 보이며, 흔한 은하계 안정 구름의 특성인 희박하고 냉각된 기체 상(기체 밀도 Tₖ ~ 15 K, n ~ 100 cm⁻³)을 반영한다.
• IRAS 05189-2524의 저저항 CO 흥분은 고-J CO 선(J ≥ 4)이 현재 기기로는 탐지 불가능함을 시사하며, 이는 10배 높은 적외선 루미노시티를 고려하더라도 여전히 강한 탐지 편향을 초래함을 의미한다.
• 이러한 저흥분 시스템의 발견은 강력한 별성폭풍과 함께 저흥분 분자가스 저축이 공존할 수 있음을 시사하며, 별성폭풍에서 보편적인 고흥분 SLED를 전제로 하는 가정에 도전한다.