[논문 리뷰] Molecular gas in low-metallicity starburst galaxies: Scaling relations and the CO-to-H$_2$ conversion factor

R. Amorín, C. Muñoz–Tuñón외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 18.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 147인용 수 31

한 줄 요약

이 연구는 IRAM 30m 망원경을 이용한 CO(1-0) 및 CO(2-1) 관측을 통해 저금속성 파란 밀집 항성군(BCD) 은하의 분자 가스를 조사하며, 저금속성 환경에서 CO가 H₂ 질량을 크게 과소평가하고 있음을 밝혀냈다. 연구에서는 금속성에 따라 변하는 CO에서 H₂로의 변환 계수 α_CO,Z ∝ (Z/Z⊙)^−1.5를 제안하여, Z ≈ 0.1Z⊙에서 H₂ 질량 과소평가를 약 40배 감소시키며, 샤를름-켄니컷 법칙에서의 편차를 부분적으로 해결한다.

ABSTRACT

We study the molecular content and the star formation efficiency of 21 Blue Compact Dwarfs (BCDs). We present CO(1-0) and (2-1) observations, further supplemented with additional CO measurements and multiwavelength ancillary data from the literature. We find the CO luminosity to be correlated with the stellar and HI masses, SFR tracers, the size of the starburst and its metallicity. BCDs appear offset from the Schmidt-Kennicutt (SK) law, showing extremely low ($\lesssim$0.1 Gyr) H2 and H2+HI depletion timescales. The departure from the SK law is smaller when considering H2+HI rather than H2 only, and is larger for BCDs with lower metallicity and higher specific SFR. Thus, the molecular fraction and H2 depletion timescale of BCDs is found to be strongly correlated with metallicity. Using this and assuming that the empirical correlation found between the specific SFR and galaxy-averaged H2 depletion timescale of more metal-rich galaxies extends to lower masses, we derive a metallicity-dependent CO-to-H2 conversion factor $α_{CO, Z} \propto (Z/Z_{\odot})^{-y}$, with $y=1.5(\pm 0.3)$ in qualitative agreement with previous determinations, dust-based measurements, and recent model predictions. Our results suggest that in vigorously star-forming dwarfs the fraction of H2 traced by CO decreases by a factor of about 40 from $Z \sim Z_{\odot}$ to $Z \sim 0.1 Z_{\odot}$, leading to a strong underestimation of the H2 mass in metal-poor systems when a Galactic $α_{CO, MW}$ is considered. Adopting $α_{CO, Z}$ we find that departures from the SK law are partially resolved. Our results suggest that starbursting dwarfs have shorter depletion gas timescales and lower molecular fractions compared to normal late-type disc galaxies even accounting for the molecular gas not traced by CO emission in metal-poor environments, raising additional constraints to model predictions (Abridged).

연구 동기 및 목표

• 저금속성 은하폭발 은하, 특히 파란 밀집 항성군(BCD)에서 분자 가스 함량과 항성 형성 효율을 이해하기 위해.
• 자외선 광분해가 심각한 저-dust, 저금속성 간성간 매질에서 CO 방출이 H₂의 추적자로 신뢰할 수 있는지 조사하기 위해.
• 저금속성 체계에서 H₂ 질량 과소평가를 보정하기 위한 금속성에 따라 변하는 CO에서 H₂로의 변환 계수(α_CO,Z)를 유도하기 위해.
• BCD에서 금속성과 CO로 추적된 분자 가스의 제한이 샤를름-켄니컷(SK) 법칙에 어떻게 영향을 미치는지 평가하기 위해.
• 관측된 가스, 항성 형성, 금속성 간의 척도관계가 저금속성 환경에서의 항성 형성 이론 모델과 일치하는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 10개의 BCD에 대해 IRAM 30m 망원경을 이용해 CO(1-0) 및 CO(2-1) 선 관측을 수행하였으며, 7개에서 검출됨.
• 문헌 자료를 활용해 CO 빛의 세기, H I 질량, 항성 형성률(SFR), 기체상 금속성을 보완적으로 확보함.
• CO 빛의 세기, 항성 질량, H I 질량, SFR, 금속성 간의 상관관계를 분석하여 척도관계 유도.
• 관측된 H₂ 소진 시간스케일과 SFR를 기반으로 α_CO,Z ∝ (Z/Z⊙)^−y의 경험적 관계를 사용해 y = 1.5 ± 0.3을 피팅하여 금속성에 따라 변하는 α_CO,Z 요소 유도.
• H₂만을 고려한 경우와 H₂+H I 총 가스 표면 밀도를 고려한 경우의 SK 법칙 행동을 비교하여 CO 추적 한계의 영향 평가.
• 유도된 α_CO,Z를 사용해 금속성 함수로 H₂ 질량, 소진 시간스케일, 분자율(Σ_H₂/Σ_HI) 재평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저금속성 은하폭발 은하에서 CO에서 H₂로의 변환 계수는 금속성에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 저금속성 BCD에서 자외선 광분해로 인해 CO 방출이 진정한 H₂ 질량을 얼마나 과소평가하는가?
• RQ3 BCD에서 관측된 분자 가스, SFR, 금속성 간의 척도관계는 표준 샤를름-켄니컷 법칙과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 금속성에 따라 변하는 α_CO,Z를 적용하면 BCD가 SK 법칙에서 관측된 편차를 줄일 수 있는가?
• RQ5 저금속성 은하폭발에서 총 가스 예산에 H I 가스를 포함시키면 가스 소진 시간스케일에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 관측된 10개의 BCD 중 7개에서 CO 방출이 검출되었으며, 두 개의 은하는 처음으로 CO 검출가능성을 보고함.
• CO로 추적된 분자 가스 함량은 항성 질량, H I 질량, SFR, 은하폭발 크기, 기체상 금속성과 강하게 상관관계를 보임.
• H₂만을 고려할 경우 BCD는 샤를름-켄니컷 법칙에서 뚜렷한 편차를 보이며, H₂ 소진 시간스케일이 0.1 Gyr 미만임으로써 극도로 빠른 가스 소비를 나타냄.
• CO에서 H₂로의 변환 계수는 α_CO,Z ∝ (Z/Z⊙)^−1.5로 가장 잘 기술되며, y = 1.5 ± 0.3로 유도되어 태양 금속성에서 0.1Z⊙ 금속성으로 이르러 CO로 추적되는 H₂ 비율이 약 40배 감소함.
• α_CO,Z를 적용함으로써 BCD가 SK 법칙에서의 편차가 감소하며, 특히 H₂+H I 총 가스를 고려할 경우 더욱 두드러짐. 다만 잔여 편차가 남아 있음.
• 총 가스 소진 시간스케일(H₂+H I)은 금속성과 거의 일정하게 유지되며, 강한 짧은 수명의 은하폭발에 대한 모델 예측과 정성적으로 일치함.