[논문 리뷰] ATLASGAL-selected massive clumps in the inner Galaxy: I. CO depletion and isotopic ratios

A. Giannetti, F. Wyrowski외 9명|Repository of the Academy's Library (Library of the Hungarian Academy of Sciences)|2014. 07. 08.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 74인용 수 54

한 줄 요약

이 연구는 내부 은하의 ATLASGAL 조사에서 102개의 대량 클러스터에 대해 CO 탈착과 동위성 비율을 조사한다. CO 이sov스토프 발광과 먼지 연속스펙트럼을 이용해 탈착 인자와 동위성 비율을 유도한다. 연구 결과, 더 낮은 온도이자 초기 진화 단계에 있는 클러스터에서 CO 탈착이 가장 강하며, 탈착 반경은 0.2–0.8 pc이다. 또한 $^{12}$C/$^{13}$C 비율은 반경 방향으로 증가하고, $^{18}$O/$^{17}$O 비율은 거의 일정하며, 내부 은하 전역에서 상당한 내재 산란이 존재한다.

ABSTRACT

In the low-mass regime, it is found that the gas-phase abundances of C-bearing molecules in cold starless cores rapidly decrease with increasing density, as the molecules form mantles on dust grains. We study CO depletion in 102 massive clumps selected from the ATLASGAL 870 micron survey, and investigate its correlation with evolutionary stage and with the physical parameters of the sources. Moreover, we study the gradients in [12C]/[13C] and [18O]/[17O] isotopic ratios across the inner Galaxy, and the virial stability of the clumps. We use low-J emission lines of CO isotopologues and the dust continuum emission to infer the depletion factor fD. RATRAN one-dimensional models were also used to determine fD and to investigate the presence of depletion above a density threshold. The isotopic ratios and optical depth were derived with a Bayesian approach. We find a significant number of clumps with a large fD, up to ~20. Larger values are found for colder clumps, thus for earlier evolutionary phases. For massive clumps in the earliest stages of evolution we estimate the radius of the region where CO depletion is important to be a few tenths of a pc. Clumps are found with total masses derived from dust continuum emission up to ~20 times higher than the virial mass, especially among the less evolved sources. These large values may in part be explained by the presence of depletion: if the CO emission comes mainly from the low-density outer layers, the molecules may be subthermally excited, leading to an overestimate of the dust masses. CO depletion in high-mass clumps seems to behave as in the low-mass regime, with less evolved clumps showing larger values for the depletion than their more evolved counterparts, and increasing for denser sources. The C and O isotopic ratios are consistent with previous determinations, and show a large intrinsic scatter.

연구 동기 및 목표

• 내부 은하의 다양한 진화 단계에서 대량 클러스터의 CO 탈착을 조사하기 위해.
• CO 탈착이 온도, 밀도 및 진화 단계에 따라 어떻게 의존하는지 규명하기 위해.
• 내부 은하 전역에서 $^{12}$C/$^{13}$C 및 $^{18}$O/$^{17}$O 동위성 비율을 측정하고 기울기를 평가하기 위해.
• CO 탈착이 비르발 질량 추정치와 클러스터 안정성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 탈착이 먼지 질량 및 비르발 파라미터 계산의 신뢰성에 영향을 미치는지 테스트하기 위해.

제안 방법

• 질량이 약 ~10²에서 3×10⁴ M☉ 사이인 ATLASGAL 870 μm 조사에서 102개의 대량 클러스터를 선별함.
• 저J CO 이sov스토프 발광선과 먼지 연속스펙트럼을 사용하여 CO 탈착 인자 $f_D$를 유도함.
• RATRAN 일차원 복사전달 모델을 적용하여 CO 탈착를 시뮬레이션하고 임계 밀도를 결정함.
• 선형 발광에서 동위성 비율과 광학 두께를 유도하기 위해 베이지안 접근법을 사용함.
• 먼지로부터 유도된 질량과 비르발 질량을 비교하여 중력적 안정성을 평가함.
• CO 탈착을 임계 밀도 모델로 모델링함. 이 모델은 CO가 임계 밀도 이상(약 수 ×10⁴ cm⁻³)에서 얼어붙는 것을 가정함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대량 클러스터에서 CO 탈착은 진화 단계와 물리적 조건에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 내부 은하 전역에서 $^{12}$C/$^{13}$C 및 $^{18}$O/$^{17}$O 동위성 비율의 반경 방향 경향은 무엇인가?
• RQ3 CO 탈착이 대량 클러스터에서 먼지 질량 및 비르발 질량 추정치에 얼마나 큰 편향을 유도하는가?
• RQ4 대량 클러스터에서 CO 탈착 영역의 특징적인 반경은 얼마이며, 클러스터 진화와 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ5 관측된 동위성 비율은 은하 화학 진화 모델과 일치하는가, 아니면 내재된 변동성을 시사하는가?

주요 결과

• CO 탈착 인자는 최대 약 20에 이르며, 특히 더 낮은 온도이자 초기 진화 단계에 있는 클러스터에서 현저하게 높은 값을 보인다.
• CO 탈착 영역의 반경은 약 0.2–0.8 pc로 추정되며, 더 먼 거리에 있는 소스에서 더 큰 값을 보이는 경향이 있다. 이는 비드 평균화된 클러스터의 불균일성 때문일 수 있다.
• $^{12}$C/$^{13}$C 비율은 은하 중심 거리에 따라 증가하며, 태양계 근처에서는 약 ~66±12에 도달한다. 이는 은하 화학 진화 모델과 일치한다.
• $^{18}$O/$^{17}$O 비율은 2–8 kpc 범위에서 약 4로 거의 일정하며, 내재 산란은 약 1이다. 다만 개별 소스에서는 2에서 6 사이의 값을 보인다.
• 약 4 kpc 지점의 소수의 소스에서 $^{18}$O/$^{17}$O 비율이 약 5.5로 나타나, 전태양 구름의 값과 유사하다.
• 일부 클러스터에서는 비르발 질량 추정치가 먼지로부터 유도된 질량보다 현저히 낮아지며, 최대 20배까지 낮아진다. 이는 CO 탈착이 먼지 질량을 과대평가하고 비르발 안정성을 과소평가할 수 있음을 시사한다.