[논문 리뷰] HI filaments are cold and associated with dark molecular gas. HI4PI based estimates of the local diffuse CO-dark H2 distribution

P. M. W. Kalberla, J. Kerp외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 30.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 70인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 은하수의 희박한 간성간 매질에서 냉각된 H i 필라멘트(T_D ≤ 1165 K)가 CO로 드러나지 않는 분자 수소(H₂)와 연관되어 있음을 제안한다. HI4PI 데이터로부터 유도된 도플러 온도를 이용해 토양-가스 비율에 반영되지 않은 H₂를 보정한다. 냉각된 H i 기체는 H₂와 상관관계를 보이며, CNM의 총 수소량의 46%가 CO로 드러나지 않는 H₂이며, T_D ≤ 220 K인 필라멘트는 분자 분율이 ≥61%로 H₂가 지배함을 시사한다.

ABSTRACT

Context. There are significant amounts of H2 in the Milky Way. Due to its symmetry H2 does not radiate at radio frequencies. CO is thought to be a tracer for H2, however CO is formed at significantly higher opacities than H2. Thus, toward high Galactic latitudes significant amounts of H2 are hidden and called CO-dark. Aims. We demonstrate that the dust-to-gas ratio is a tool to identify locations and column densities of CO-dark H2. Methods. We adopt the hypothesis of a constant E(B-V)/NH ratio, independent of phase transitions from HI to H2. We investigate the Doppler temperatures TD, from a Gaussian decomposition of HI4PI data, to study temperature dependencies of E(B-V)/NHI. Results. The E(B-V)/NHI ratio in the cold HI gas phase is high in comparison to the warmer one. We consider this as evidence that cold HI gas toward high Galactic latitudes is associated with H2. Beyond CO-bright regions we find for TD < 1165 K a correlation (NHI + 2NH2 )/NHI prop -log T_D. In combination with a factor XCO = 4.0 10 20 cm^-2 (K km s^-1 )-1 this yields for the full-sky NH /E(B-V) sim 5.1 to 6.7 10^21 cm^-2 mag^-1, compatible with X-ray scattering and UV absorption line observations. Conclusions. Cold HI with T_D < 1165 K contains on average 46% CO-dark H2. Prominent filaments have TD < 220 K and typical excitation temperatures Tex sim 50 K. With a molecular gas fraction of > 61% they are dominated dynamically by H2.

연구 동기 및 목표

• 먼지 흡수 및 H i 데이터를 이용해 희박한 간성간 매질에서 은폐된 CO로 드러나지 않는 분자 수소(H₂)를 식별하고 정량화하는 것.
• 냉각된 H i 기체 상이가 은폐된 H₂와 관련이 있는지, 특히 고은하위도에서 확인하는 것.
• H i 수직량 측정치에서 감지되지 않은 H₂를 고려하기 위해 온도에 따라 변하는 토양-가스 비율 보정법을 개발하는 것.
• 냉각되고 필라멘트 형태를 띤 H i 구조에서 H₂의 역학적 지배성 평가.
• X_CO = 4.0×10²⁰ cm⁻² (K km s⁻¹)⁻¹을 사용해 보정을 검증하고 X선 및 자외선 관측 결과와 비교하는 것.

제안 방법

• HI4PI 데이터의 가우시안 분해를 통해 H i 성분의 도플러 온도(T_D) 유도.
• 토양-가스 비율의 지표로 E(B-V)/N_HI 비율을 사용하며, 총 N_H와 선형성을 가정함(특히 H i에서 H₂로의 상전이 기간 동안에도).
• CO로 드러나지 않는 H₂를 고려하기 위해 E(B-V)/(N_HI + 2N_H2)를 추정하기 위한 경험적 보정 함수 f_c(T_D) 유도.
• CO 빛나는 영역에서 CO 빛의 세기를 H₂ 수직량으로 변환하기 위해 X_CO 요소(4.0×10²⁰ cm⁻² (K km s⁻¹)⁻¹) 적용.
• 먼지-가스 상관관계 검증을 위해 적외선 방출 및 자외선 흡수 데이터를 교차 검증.
• CO 빛나는 영역 외부에서 하늘의 74%를 통계 분석하여 평균 H₂ 분율 및 온도 임계값 유도.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 냉각된 H i 기체(T_D ≤ 1165 K)는 CO로 추적되지 않는 은폐된 분자 수소와 연관되어 있는가?
• RQ2 E(B-V)/N_HI 비율이 T_D 감소와 함께 체계적으로 증가하는가? 이는 반영되지 않은 H₂ 존재를 시사하는가?
• RQ3 CO 빛나는 영역 외부에서 냉각 중성 매질(CNM)의 평균 분자 가스 분율 f^N_H2 = 2N_H2 / N_H는 얼마인가?
• RQ4 H i 필라멘트의 물리적 성질(T_D, T_ex, f^N_H2)은 H₂ 지배성과 먼지 연관성과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ5 f_c(T_D) 보정은 표준 X_CO 요소를 사용해 CO 빛나는 영역으로 확장 가능한가?

주요 결과

• E(B-V)/N_HI 비율은 T_D 감소와 함께 증가하며, 이는 냉각된 H i 기체(T_D ≤ 1165 K)가 반영되지 않은 분자 수소와 연관되어 있음을 시사한다.
• 온도에 따라 변하는 보정 함수 f_c(T_D)가 유도되었으며, 이는 CO로 드러나지 않는 H₂를 포함한 진정한 토양-가스 비율 추정이 가능하게 한다.
• 평균적으로 CO 빛나는 영역 외부의 CNM에서 총 수소 수직량의 46%가 CO로 드러나지 않는 H₂ 형태로 존재한다.
• T_D ≤ 220 K인 필라멘트는 유효 온도 T_ex ≈ 50 K이며, 분자 가스 분율 f^N_H2 ≥ 61%로 H₂ 지배를 나타낸다.
• 유도된 N_H/E(B-V) 비율 5.1에서 6.7×10²¹ cm⁻² mag⁻¹은 X선 산란 및 자외선 흡수선 관측 결과와 일치한다.
• f_c(T_D) 보정은 고은하위도에서 토양-가스 비율의 체계적 편차를 크게 감소시켜, 전경 흡수 보정에의 적용을 지지한다.