[논문 리뷰] C+ Emission from the Magellanic Clouds II. [CII] maps of star-forming regions LMC-N 11, SMC-N 66, and several others

F. P. Israel, P. R. Maloney|2011. 04. 11.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 81인용 수 31

한 줄 요약

이 연구는 쿠이퍼 공중 관측소의 FIFI 기구를 사용하여 LMC와 SMC의 저금속성 성간 영역에서 [CII] 158 μm 복사장을 맵핑한다. [CII]/FIR 비율이 1–3%로, 은하수보다 훨씬 높게 나타나는데, 이는 저먼지 환경에서 장거리 우주선 평균 자유로움으로 인해 광전기 가열 효율이 증가하기 때문이다. 이는 PAH 농도가 낮아 가열 속도가 감소하는 것과는 대조된다.

ABSTRACT

We study the 158 micron [CII] fine-structure line emission from star-forming regions as a function of metallicity. We have measured and mapped the [CII] emission from the very bright HII region complexes N 11 in the LMC and N 66 in the SMC, as well as the SMC HII regions N 25, N 27, N 83/N 84, and N 88, with the FIFI instrument on the Kuiper Airborne Observatory. In both the LMC and SMC, the ratio of the [CII] line to the CO line and to the far-infrared continuum emission is much higher than seen almost anywhere else, including Milky Way star-forming regions and whole galaxies. In the low metallicity, low dust-abundance environment of the LMC and the SMC, UV mean free path lengths are much greater than those in the higher-metallicity Milky Way. The increased photoelectric heating efficiencies cause significantly greater relative [CII] line emission strengths. At the same time, similar decreases in PAH abundances have the opposite effect, by diminishing photoelectric heating rates. Consequently, in low-metallicity environments the relative [CII] strengths are high but exhibit little further dependence on actual metallicity. Relative [CII] strengths are slightly higher in the LMC than in the SMC, which has both lower dust and lower PAH abundances.

연구 동기 및 목표

• LMC와 SMC의 저금속성 성간 영역에서 [CII] 158 μm 복사장을 측정하고 맵핑하는 것.
• 금속성과 먼지 농도가 [CII] 선 방출과 FIR 연속스펙트럼, CO 방출에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 저금속성 환경에서 강화된 [CII] 방출을 이끄는 물리적 메커니즘을 이해하는 것.
• LMC와 SMC에서 [CII]와 CO, FIR 방출 비율을 은하수 및 기타 은하들과 비교하는 것.
• 먼지와 PAH가 PDR 내에서 광전기 가열에 미치는 역할을 이해하여 [CII] 방출을 형성하는 원리 분석

제안 방법

• 관측는 1992년 4월 뉴질랜드 크리스티추어에서 이륙한 쿠이퍼 공중 관측소(KAO)의 MPE/UCB 적외선 이미징 파르티-페로르 간섭계(FIFI)를 사용하여 수행되었다.
• FIFI는 5×5 배열의 초점면 진단기로 구성되어 있으며, 각 진단기는 40″ 간격을 두고 있으며, 확산된 소스를 맵핑하기에 적합한 FWHM beam 크기를 가졌다.
• [CII] 선 방출은 LMC(N11)와 SMC(N25, N27, N66, N83/N84, N88)의 여러 영역에서 158 μm에서 측정되었으며, 각 영역의 통합 시간과 노이즈 수준이 기록되었다.
• 데이터 분석을 통해 [CII]/FIR 및 [CII]/CO 선 비율을 계산하였으며, 다양한 금속성과 먼지 농도를 가진 환경 간에 비교하였다.
• 관측된 선 비율을 해석하기 위해 PDR 이론 모델을 사용하였으며, 주로 자외선 복사장 강도(Go), 기체 밀도, 차폐 효과에 초점을 맞추었다.
• 이 연구는 은하수, M33, M51, M31, IC 10의 기존 자료와 비교하여 저금속성 시스템에서의 [CII] 방출 행동을 맥락화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LMC와 SMC의 저금속성 HII 영역에서 [CII] 158 μm 방출은 은하수 및 기타 은하들과 비교해 어떻게 다를까?
• RQ2 LMC와 SMC에서 관측된 이례적인 높은 [CII]/FIR 비율은 태양 금속성 환경과 비교해 무엇 때문일까?
• RQ3 먼지와 PAH 농도의 변화가 PDR 내 광전기 가열 효율과 [CII] 방출에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ4 SMC는 LMC보다 저금속성임에도 불구하고 [CII]/FIR 비율이 LMC보다 낮은 이유는 무엇인가?
• RQ5 저금속성 은하에서 FUV 복사장의 기하학적 희석과 낮은 PAH 농도가 [CII] 방출 강도를 함께 결정하는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• LMC와 SMC에서의 [CII]/FIR 비율은 1.6–3.4%에 이르며, 일반적인 은하수 성간 영역의 10배, 대부분의 다른 은하보다 5–10배 높다.
• SMC는 LMC보다 저금속성임에도 불구하고 [CII]/FIR 비율이 LMC보다 낮은 것은, SMC에서 FUV 복사장의 기하학적 희석이 더 심하고 PAH 농도가 낮기 때문에 발생한다.
• [CII]/CO 선 비율은 관측된 영역에서 400에서 113,000까지 광범위하게 변동하여, 저금속성 환경에서 10 pc 척도에서 [CII]와 CO 간의 상관관계가 뚜렷하지 않음을 시사한다.
• 저금속성 PDR에서는 [CII] 선 강도가 낮고 중간 수준의 입사 FUV 복사장(Go = 1–100)에서는 Go에 비례하여 증가하지만, 고 Go 값에서는 포화 상태에 도달한다.
• 관측된 [CII]/FIR 비율은 먼지와 PAH에 의한 광전기 가열과 일치하며, SMC의 낮은 먼지 및 PAH 농도로 인해 가열 속도는 감소하지만, 장거리 UV 평균 자유로움으로 인해 가열 효율은 증가한다.
• 중간 금속성과 PAH 농도를 가진 IC 10은 LMC와 SMC 사이의 중간 수준의 [CII] 비율을 보이며, 이는 먼지와 PAH의 병합 효과가 다양한 금속성 수준에서 유사한 [CII] 방출 행동을 유도함을 시사한다.