[논문 리뷰] Discovery of a Perseus-like cloud in the early Universe: H I-to-H 2 transition, carbon monoxide and small dust grains at z abs ≈ 2.53 towards the quasar J0000+0048

P. Noterdaeme, Jens-Kristian Krogager외 11명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 06.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 141인용 수 41

한 줄 요약

이 연구는 Quasar J0000+0048 방향으로 관측된 고적도 분자운의 발견을 보고한다. 이 분자운은 z ≈ 2.53에서 관측되었으며, 분자율 f ≈ 50%를 보이며, 고적도 간섭계에서 관측된 바 중 가장 높은 수준이다. VLT/UVES 및 X-Shooter를 이용한 고해상도 우주선 및 가시광선 스펙트럼과 Cloudy 모델링을 조합하여, 냉각되고 밀도가 높은 구름(nH ≈ 80 cm⁻³, T ≈ 50 K)을 규명하였으며, 태양계 초과 금속성과 작은-dust 입자를 포함하고 있어 급격한 투과율 감쇠 곡선과 2175 Å 피크를 반영한다. 또한, CMB 온도는 9.6 K로 추정되었으며, 이는 단열 냉각 예측과 일치한다.

ABSTRACT

We present the discovery of a molecular cloud at zabs=2.5255 along the line of sight to the quasar J0000+0048. We perform a detailed analysis of the absorption lines from ionic, neutral atomic and molecular species in different excitation levels, as well as the broad-band dust extinction. We find that the absorber classifies as a Damped Lyman-alpha system (DLA) with logN(HI)(cm^-2)=20.8+/-0.1. The DLA has super-Solar metallicity with a depletion pattern typical of cold gas and an overall molecular fraction ~50%. This is the highest f-value observed to date in a high-z intervening system. Most of the molecular hydrogen arises from a clearly identified narrow (b~0.7 km/s), cold component in which CO molecules are also found, with logN(CO)~15. We study the chemical and physical conditions in the cold gas. We find that the line of sight probes the gas deep after the HI-to-H2 transition in a ~4-5 pc-size cloud with volumic density nH~80 cm^-3 and temperature of only 50 K. Our model suggests that the presence of small dust grains (down to about 0.001 μm) and high cosmic ray ionisation rate (zeta_H a few times 10^-15 s^-1) are needed to explain the observed atomic and molecular abundances. The presence of small grains is also in agreement with the observed steep extinction curve that also features a 2175 A bump. The properties of this cloud are very similar to what is seen in diffuse molecular regions of the nearby Perseus complex. The high excitation temperature of CO rotational levels towards J0000+0048 betrays however the higher temperature of the cosmic microwave background. Using the derived physical conditions, we correct for a small contribution (0.3 K) of collisional excitation and obtain TCMB(z = 2.53)~9.6 K, in perfect agreement with the predicted adiabatic cooling of the Universe. [abridged]

연구 동기 및 목표

• 우주의 초기 단계에서 고적도 분자운의 물리적 및 화학적 조건을 조사하기 위해.
• 흡수체의 분자율과 금속성을 규명하여, 초과 태양 금속성인 DLA로 식별하기 위해.
• 작은 먼지 입자와 간섭선 입자 이온화가 냉각되고 밀도가 높은 기체에서 높은 CO 농도를 유지하는 데 미치는 역할을 이해하기 위해.
• CO 진동 준위의 흥분을 이용해 z ≈ 2.53에서의 우주 마이크파 배경 온도를 측정하고, 천체물리학 모델을 시험하기 위해.
• 이 구름의 성질을 근접한 Perseus 복합체의 희박한 분자 영역과 비교하기 위해.

제안 방법

• H I, H2, CO, C I 및 기타 이종의 흡수선을 탐지하기 위해 VLT/UVES 및 X-Shooter를 이용한 고해상도 우주선 및 가시광선 분광법을 시행하였다.
• vpfit 코드를 사용한 스펙트럼 피팅을 통해 흡수 성분의 열역학적 농도와 운동학적 구조를 측정하였다.
• Cloudy 스펙트럼 합성 코드를 적용하여, 구름 내의 물리적 조건(밀도, 온도, 자외선 복사장, 간섭선 입자 이온화율 등)을 모델링하였다.
• CO 회전 준위의 흥분을 이용해 운동온도를 추론하고 충돌에 의한 흥분 효과를 보정하였다.
• 관측된 CO 흥분을 이론 모델과 비교하여 충돌 흥분 보정 후 CMB 온도를 유도하였다.
• 광대역 스펙트럼 에너지 분포(SpE) 분석과 2175 Å 피크 및 탈구 패턴 비교를 통해 먼지 흡수율을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이 고적도 분자운의 물리적 및 화학적 조건은 무엇이며, 지역의 희박한 분자운과 비교해 어떻게 다를까?
• RQ2 이 시스템에서 분자율 f ≈ 50%가 유지되는 이유는 무엇이며, 고적도에서 이와 같은 높은 값을 가능하게 하는 과정은 무엇인가?
• RQ3 작은 먼지 입자와 간섭선 입자 이온화가 이 구름에서 높은 CO 농도를 유지하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 CO 흥분을 통해 z ≈ 2.53에서 CMB 온도를 측정할 수 있으며, 이는 천체물리학적 예측과 일치하는가?
• RQ5 관측 가능한 CO를 예측할 수 있는 관측 지표(예: C I, 흡수 곡선)는 무엇인가?

주요 결과

• 흡수체는 log N(H I) = 20.8 ± 0.1 cm⁻²이며, 초과 태양 금속성(Z ≈ 2.5 Z⊙)을 보이며, 냉각된 기체의 특징적인 탈구 패턴을 보이는 Damped Lyman-α 시스템이다.
• 분자율 f ≈ 50%는 고적도 간섭계에서 관측된 바 중 가장 높은 수치이며, H2와 CO는 좁고 냉각된 성분(b ≈ 0.7 km s⁻¹, T ≈ 50 K)에서 검출되었다.
• Cloudy 모델링 결과, 밀도가 높고 냉각된 구름(nH ≈ 80 cm⁻³), 중간 정도의 자외선 복사장, 높은 간섭선 입자 이온화율(ζH ≈ 수십 × 10⁻¹⁵ s⁻¹)을 가진 것으로 나타났다.
• 관측된 흡수 곡선과 CO 농도를 재현하기 위해, ~0.001 µm까지 작은 먼지 입자와 2175 Å 피크의 존재가 필요하다.
• 충돌 흥분 보정 후 유도된 CMB 온도는 z = 2.53에서 9.6 K였으며, 이는 단열 냉각 예측 TCMB(z) = T₀(1 + z)와 완벽하게 일치한다.
• 이 구름의 물리적 및 화학적 성질은 우주가 단지 2.5 Gyr 되었을 때 형성되었음에도 불구하고, 근접한 Perseus 복합체의 희박한 분자 영역과 놀랄 정도로 유사하다.