[논문 리뷰] Interstellar absorptions towards the LMC: Small-scale density variations in Milky Way disc gas

S. Nasoudi-Shoar, P. Richter외 2명|arXiv (Cornell University)|2010. 06. 28.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 40인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 대마젤란운성의 근접한 6개의 별을 향한 자외선 흡수선을 분석하여 은하수 디스크 기체의 미세 구조 밀도 변화를 조사한다. FUSE와 STIS 데이터를 사용하여 1.5 pc 거리 동안 H₂ 기체 농도가 최대 2 dex 변화함을 발견하였으며, 이는 밀도가 60 cm⁻³에서 더 높은 값으로 변하는 1 pc 이하 척도의 구름조각들을 나타내며, 0.1 pc 이하 크기의 비균일한 분자 기체 구조가 존재함을 시사한다.

ABSTRACT

Observations show that the ISM contains sub-structure on scales less than 1 pc, detected in the form of spatial and temporal variations in column densities or optical depth. Despite the number of detections, the nature and ubiquity of the small-scale structure in the ISM is not yet fully understood. We use UV absorption data mainly from FUSE and partly from STIS of six LMC stars (Sk-67°111, LH54-425, Sk-67°107, Sk-67°106, Sk-67°104, and Sk-67°101), all located within 5 arcmin of each other, and analyse the physical properties of the Galactic disc gas in front of the LMC on sub-pc scales. We analyse absorption lines of a number of ions within the UV spectral range. Most importantly, interstellar molecular hydrogen, neutral oxygen, and fine-structure levels of neutral carbon have been used in order to study changes in the density and the physical properties of the Galactic disc gas over small angular scales. While most species do not show any significant variation in their column densities, we find an enhancement of almost 2 dex for H_2 from Sk-67°111 to Sk-67°101, accompanied by only a small variation in the OI column density. Based on the formation-dissociation equilibrium, we trace these variations to the actual density variations in the molecular gas. On the smallest spatial scale of < 0.08 pc, between Sk-67°107 and LH54-425, we find a gas density variation of a factor of 1.8. The line of sight towards LH54-425 does not follow the relatively smooth change seen from Sk-67°101 to Sk-67°111, suggesting that sub-structure might exist on a smaller spatial scale than the linear extent of our sight-lines. Our observations suggest that the detected H_2 in these six lines of sight is not necessarily physically connected, but that we are sampling molecular cloudlets with pathlengths < 0.1-1.8 pc and possibly different densities.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 자외선 분광법을 사용하여 은하수 디스크 간성간 매질의 미세 구조 밀도 및 물리적 특성 변화를 조사하기 위해.
• 가까이 위치한 시선(5′ 이내)을 따라 분포하는 분자 기체가 일관된지 또는 변동성이 있는지 평가하여 덩어리진지 또는 연결된 구조인지 판단하기 위해.
• 회전적 진동 상태의 H₂와 이온의 미세 구조 수준을 사용하여 중성 및 분자 기체 성분의 물리 조건(밀도, 온도, 경로 길이)을 제약하기 위해.
• 여러 시선을 통해 H₂, C I, O I 및 기타 이온의 기체 농도를 비교하여 매질의 비균일성의 공간 스케일을 평가하기 위해.
• 관측된 변화가 기체의 내재된 구조적 특성인지, 또는 경로 길이와 차폐에 관한 물리적/관측적 가정에 기인한 것인지 평가하기 위해, 특히 경로 길이와 차폐에 초점을 맞추어.

제안 방법

• 5′ 이내의 각도 간격으로 분포한 LMC의 6개의 별을 향해 FUSE와 허블 우주망원경의 STIS를 사용하여 자외선 스펙트럼을 확보하였다.
• 주요 종의 기체 농도를 측정함: H₂(회전 수준), C I, O I, Si II, Fe II, Al II, P II, S III, Ar I, Ni II, Mg II, Mn II, Si IV.
• H₂의 회전적 진동 상태를 사용하여 진동 온도(Tex)를 유도하고, 볼츠만 분포를 통해 기체 온도와 밀도를 추정하였다.
• H₂의 형성-해리 평형을 적용하여, 차폐 및 H₂ 형성 속도를 가정함으로써 기체 농도 변화로부터 밀도 변화를 유추하였다.
• 각 시선 간의 밀도 비율(ξ)을 계산하여 상대적 기체 밀도 차이를 평가하고, N(H I)와 nH로부터 분자 기체의 경로 길이(Dmol)를 추정하였다.
• 각 시선을 따라 유도된 물리적 매개변수의 물리적 일관성을 평가하기 위해, 여러 시선 간의 이온 농도와 전자 밀도를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가까운 거리에 있는 LMC 별을 향한 자외선 흡수선을 통해 드러난 은하수 디스크 기체의 밀도 비균일성의 공간 스케일은 무엇인가요?
• RQ2 1.5 pc 미만의 거리로 분리된 6개의 시선에서 H₂, C I, O I의 기체 농도는 어떻게 변화하며, 이러한 변화는 기체 구조에 대해 어떤 의미를 갖는가요?
• RQ3 관측된 H₂ 흡수는 물리적으로 연결되어 있는가, 아니면 별개의 소규모 분자 구름조각을 나타내는가요?
• RQ4 각 시선을 따라 흡수 기체의 유추된 물리 조건(온도, 밀도, 경로 길이)은 무엇인가요?
• RQ5 H₂ 기체 농도의 변화가 이온화 또는 중성 기체 성분의 변화와 상관관계가 있는가, 그리고 이는 기체 역학과 차폐에 대해 어떤 함의를 갖는가요?

주요 결과

• Sk -67° 111과 Sk -67° 101을 향한 시선 사이에서 1.5 pc의 투영 거리 동안 H₂ 기체 농도가 거의 2 dex 증가함을 관측하였다.
• 이 시선들 사이에서 O I 기체 농도는 거의 일정하게 유지되어, H₂ 변화가 총 중성 기체 기체 농도의 변화 때문이 아님을 시사한다.
• H₂ 변화는 분자 기체 내 밀도 비균일성을 직접적으로 나타내며, 유추된 밀도는 각 시선에서 약 60 cm⁻³에서 더 높은 값으로 변동함을 의미한다.
• Sk -67° 107과 LH 54-425 사이의 <0.08 pc 스케일에서 기체 밀도 변화가 약 1.8배로 측정되어, 피크-파스칼 스케일의 구조가 존재함을 나타낸다.
• Sk -67° 101에서 Sk -67° 107까지의 내부 자가차폐 기체의 H₂ 진동 온도(Tex)는 약 70 K이며, 냉각 중성 매질(CNM)과 일치하지만, LH 54-425 및 Sk -67° 111 쪽으로 갈수록 약 200 K로 상승한다.
• 분자 기체의 경로 길이(Dmol)는 0.1에서 1.8 pc 사이로 추정되며, 가장 작은 값들은 H₂가 연결된 구조가 아닌 소규모 고립된 구름조각에 존재함을 시사한다.