[논문 리뷰] Dense Molecular Gas in Extreme Starburst Galaxies - What will we learn from Herschel?

T. R. Greve, Panagiotis Papadopoulos외 2명|arXiv (Cornell University)|2006. 09. 29.

Spectroscopy and Laser Applications인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 아르프 220과 NCG 6240의 다중선 분자의 방출 데이터를 사용하여 극한의 은하폭발 은하에서 조밀한 분자가스의 특성을 대규모 속도 기울기(LVG) 모델링을 통해 특성화한다. 이는 CS, HCN, HCO+가 매우 다른 밀도의 가스를 추적함을 입증하며, CS는 HCO+보다 약 10배 높은 밀도에서 가스를 추적함을 보여주며, 허셜/히픽스가 z ≈ 0.5 이하의 ULIRG에서 이 분자의 고역수 전이를 탐지할 수 있음을 예측한다. 이는 고적색편이 고유성의 유사체에 대한 완전한 분자선 래더 연구를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Ultra Luminous Infra-Red Galaxies (ULIRGs) -- gas-rich mergers harboring the most extreme star-forming conditions encountered in the local Universe -- are thought to re-enact the galaxy formation processes we are only barely able to glimpse in the distant Universe. Combining new single-dish molecular line observations of 12CO, 13CO, HCO+, HCN, and CS towards the two ULIRGs Arp220 and NGC6240 with existing data in the literature, we have compiled the most extensive molecular line data-sets to date of such galaxies. The data allow us to put strong constraints on the properties of the dense star forming gas in these two systems, and compare the relative usefulness of CS, HCN and HCO+ as tracers of dense gas. In addition, we have build molecular line templates based on our observations, and demonstrate that Herschel/HI-FI will be able to detect the high-J transitions of most of the above molecules in a large sample of ULIRGs out to z<=0.5, assuming Arp220 and NGC6240 are representative of the ULIRG population at these redshifts.

연구 동기 및 목표

• 다중선 분자 방출 데이터를 활용하여 극한의 은하폭발 은하에서 조밀한 분자가스의 물리적 조건을 특성화하기 위해.
• ULIRG에서 조밀한 가스의 추적자로서 HCO+, HCN, CS의 효과성을 비교하기 위해.
• 고적색편이 연구에 활용하기 위해 아르프 220과 NCG 6240에서 유empirical 분자선 템플릿을 구축하기 위해.
• z ≤ 0.5에서의 ULIRG에서 허셜/히픽스를 통한 고역수 분자 전이의 탐지 가능성 예측하기 위해.
• ALMA의 향후 고적색편 연구를 위해 저적색편 템플릿을 제공하여 고역수 선 방출을 해석하는 데 도움을 주기 위해.

제안 방법

• JCMT와 IRAM 30m 망원경을 사용하여 아르프 220과 NCG 6240에서 12 CO, 13 CO, HCO+, HCN, CS 선에 대한 단일 안테나 관측을 수행하였다.
• 선 비율을 해석하고 가스 밀도, 온도, 광학적 깊이를 유도하기 위해 대규모 속도 기울기(LVG) 모델을 적용하였다.
• 최적의 LVG 해를 기반으로 HCN, HCO+, CS의 H2로의 변환 계수(α)를 계산하여 조밀한 가스 질량을 추정하였다.
• 유도된 조밀한 가스 특성을 바탕으로 z=0.05에서 z=1.0 사이의 ULIRG에서 고역수 전이(J=11-10까지)의 선 밀도를 예측하였다.
• 6개의 대역에 걸쳐 허셜/히픽스 감도 한계를 투영하여 z ≤ 0.5에서 고역수 선의 탐지 가능성 평가를 수행하였다.
• 고적색편 관측의 기준이 되는 아르프 220과 NCG 6240를 기반으로 분자선 템플릿을 구축하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 극한의 은하폭발 은하인 아르프 220과 NCG 6240에서 조밀한 분자가스의 물리적 조건(밀도, 온도, 광학적 깊이)은 무엇인가?
• RQ2 ULIRG에서 HCO+, HCN, CS는 서로 다른 가스 밀도에 대해 얼마나 민감하게 반응하는가?
• RQ3 고역수 CO, HCN, CS, HCO+ 전이가 ULIRG에서 얼마나 자주 공존하는가? 이는 공통된 조밀한 가스 상을 나타내는가?
• RQ4 허셜/히픽스는 z ≤ 0.5의 ULIRG에서 고역수 분자 전이를 탐지할 수 있는가? 이는 지상 기반 시설과 어떻게 보완되는가?
• RQ5 지역의 ULIRG 템플릿(예: 아르프 220, NCG 6240)은 고적색편 은하에서의 고역수 선 탐지 해석을 어떻게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• CS는 HCN보다 약 10배, HCO+보다 약 100배 높은 밀도의 가스를 추적함을 확인하여, 가장 조밀하고 질량이 큰 항성 형성 핵의 추적자로서의 역할을 뒷받침한다.
• HCN, HCO+, CS는 모두 50–70 K의 유사한 운동 온도를 가지며, 활발한 항성 형성 영역과 관련되어 있음을 나타낸다.
• 아르프 220와 NCG 6240의 조밀한 가스 질량은 각각 (0.6–2.5)×10¹⁰ M☉ 및 (0.8–2.4)×10¹⁰ M☉로 추정되며, 다중선 데이터로 강력한 제약 조건이 적용되어 높은 신뢰도를 가진다.
• CO, HCN, CS, HCO+의 고역수 회전 래더(최대 J=11-10까지)는 허셜/히픽스에 의해 z ≤ 0.5의 ULIRG에서 탐지 가능할 것으로 예측되며, 1시간의 통합 시간 내에 5σ 감도가 확보된다.
• 관측된 선 밀도와 예측된 탐지 가능성은 HCN과 고역수 CO를 고적색편 은하에서 조밀한 가스의 접근 가능한 대체 지표로 사용할 수 있음을 뒷받침하며, 특히 대기 투과 손실로 인해 지상 관측이 제한될 경우에 유용하다.
• 아르프 220과 NCG 6240 템플릿은 먼 고적색편 은하폭발에서의 고역수 선 방출을 해석하는 데 있어 강력하고 경험적으로 기반을 둔 기준 자료를 제공한다.