[논문 리뷰] On the chemistry and distribution of HOC+ in M82: More evidence for extensive PDRs

A. Fuente, S. García‐Burillo외 9명|ArXiv.org|2008. 10. 05.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 32인용 수 29

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 간섭계 관측과 향상된 PDR 모델을 사용하여 은하 M82에서 HOC+의 화학 및 공간 분포를 조사한다. HOC+ 방출은 밀도가 높고 우주선에 의해 조사된 광분해영역(PDRs)에서 발생하며, 이는 n ≥ 10⁴ cm⁻³의 조건을 만족하며, 분자의 가스 질량의 87%를 차지하는 작은 밀도 구름(A_V = 5 mag)에서 주로 발생한다. 이는 M82가 분자 가스 저축량이 거의 고갈된 오래된 성성은하임을 시사한다.

ABSTRACT

The molecular gas composition in the inner 1 kpc disk of the starburst galaxy M82 resembles that of Galactic Photon Dominated Regions (PDRs). In particular, large abundances of the reactive ions HOC+ and CO+ have been measured in the nucleus of this galaxy. To investigate the origin of the large abundances of reactive ions in M82, we have completed our previous 30m HOC+ J=1-0 observations with the higher excitation HCO+ and HOC+ J=4-3 and 3-2 rotational lines. In addition, we have obtained with the IRAM Plateau de Bure Interferometer (PdBI) a 4" resolution map of the HOC+ 1-0 emission, the first ever obtained in a Galactic or extragalactic source. Our HOC+ interferometric image shows that the emission of the HOC+ 1-0 line is mainly restricted to the nuclear disk, with the maxima towards the E. and W. molecular peaks. In addition, line excitation calculations imply that the HOC+ emission arises in dense gas. Therefore, the HOC+ emission is arising in the dense PDRs embedded in the M82 nuclear disk, rather than in the intercloud phase and/or wind. We have improved our previous chemical model of M82 by (i) using the new version of the Meudon PDR code, (ii) updating the chemical network, and (iii) considering two different types of clouds (with different thickness). Most molecular observations (HCO+, HOC+, CO+, CN, HCN, H3O+) are well explained assuming that ~ 87 % of the mass of the molecular gas is forming small clouds (Av=5 mag) while only ~ 13 % of the mass is in large molecular clouds (Av=50 mag). Such small number of large molecular clouds suggests that M82 is an old starburst, where star formation has almost exhausted the molecular gas reservoir.

연구 동기 및 목표

• M82 핵에서 반응성 이온인 HOC+와 CO+의 높은 농도 기원을 규명하는 것.
• 은하의 강력한 간성간 매질에서 분자 화학을 이끄는 주된 원인이 자외선인지 X선인지를 구분하는 것.
• 새로운 고-excited 선 데이터와 간섭계 영상 자료를 활용해 PDR 화학 모델을 보완하는 것.
• M82 핵 디스크에서 HOC+ 방출의 공간 분포 및 물리 조건을 평가하는 것.

제안 방법

• 선형 밀도를 조사하기 위해 30m 및 JCMT에서 HOC+와 HCO+의 J=3→2 및 J=4→3 전이를 관측함.
• IRAM Plateau de Bure 간섭계를 사용하여 HOC+ 1→0 방출의 4" 해상도 간섭계 맵을 확보함.
• 업데이트된 화학 네트워크와 두 가지 유형의 구름(A_V = 5 및 50 mag)을 갖춘 Meudon PDR 코드를 적용함. 이는 G₀ = 10⁴ Habing 단위의 조사 조건을 반영함.
• 선 강도 비율을 통해 기체 밀도(n ≥ 10⁴ cm⁻³)를 유추하기 위해 진동 상태 계산을 수행함.
• 모델 예측값과 관측된 선 강도 비율([CN]/[HCN], [CO+]/[HCO+])을 비교하여 구름 질량 비율을 제약 조건에 둠.
• 다양한 종류의 분자(HCO+, HOC+, CO+, CN, HCN, H₃O+)의 관측된 농도를 재현하기 위해 이중 구름 모델을 사용함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 M82에서 관측된 HOC+ 및 기타 이온 농도를 재현하기 위해 필요한 물리 조건(밀도, 자외선 필드, 구름 크기)은 무엇인가?
• RQ2 HOC+의 고농도는 주로 자외선 광자에 의해 유도되는가, 아니면 성성은하에서 발생하는 X선에 의해 유도되는가?
• RQ3 M82에서 분자 가스 질량의 몇 퍼센트가 작은 밀도 구름(A_V = 5 mag)에 있고, 몇 퍼센트는 큰 확산 구름(A_V = 50 mag)에 있는가?
• RQ4 우주선 강도를 높인 PDR 모델(ζ = 4×10⁻¹⁵ s⁻¹)과 이중 구름 유형을 사용하면 관측된 모든 분자 선 강도 비율을 재현할 수 있는가?
• RQ5 HOC+ 방출의 공간 분포는 간성간 매질 또는 분출 영역에서 기인한 것이 아니라 PDR 기원을 지지하는가?

주요 결과

• HOC+ 1→0 방출은 핵 디스크에 국한되어 있으며, 동부 및 서부 분자 피크 쪽으로 최고점을 보이며, 4" 해상도 간섭계 맵을 통해 밀도 높은 기체에서 기인함을 확인함.
• 선 진동 상태 계산 결과, HOC+ 방출은 n ≥ 10⁴ cm⁻³의 밀도 높은 기체에서 발생하며, 저밀도 간성간 매질 또는 바람 단계의 방출을 배제함.
• HOC+ 방출은 X선 이온화가 아니라 자외선 주도 화학 반응에 의해 가장 잘 설명되며, 흩어진 X선 방출과의 상관관계가 없음을 통해 이를 뒷받침함.
• 최적의 PDR 모델은 분자 가스 질량의 87%가 작은 밀도 구름(A_V = 5 mag)에, 나머지 13%는 큰 구름(A_V = 50 mag)에 분포되어 있음을 요구하며, 이는 남아 있는 가스 저축량이 거의 없는 오래된 성성은하임을 시사함.
• 모델은 관측된 선 강도 비율([CN]/[HCN] = 6, [HCO+]/[HOC+] = 44, [CO+]/[HCO+] = 0.04)을 성공적으로 재현하며, 자외선 주도 화학 반응과 일치함.
• 모델은 N(HOC+) = 2.5×10¹³ cm⁻² 및 N(CO+) = 1.5×10¹³ cm⁻²를 예측하며, 관측값과 약 2배 이내로 일치하여 이중 구름, 자외선 조사 PDR 시나리오의 강건성을 확인함.