[논문 리뷰] Physical conditions in the gas phases of the giant HII region LMC-N11: II. Origin of [CII] and fraction of CO-dark gas

V. Lebouteiller, D. Cormier외 12명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 08.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 80인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 대마젤란운성의 N11 HII 영역에서 속도 해상도가 높은 SOFIA/GREAT 관측을 통해 [C II] 158 µm 복사의 기원을 H I 및 CO와의 선형형태 비교를 통해 규명한다. 그 결과, [C II] 복사의 90% 이상이 CO로는 탐지되지 않는 H₂ 기체에서 기인하며, 이는 주로 밀도가 높고 별성 피드백 영향을 받는 영역에서 지배적인 분자의 저장소임을 시사한다. 이는 [C II]가 별 형성 환경에서 발견하기 어려운 분자 기체를 추적하는 데 핵심적인 지표가 됨을 강조한다.

ABSTRACT

(abridged) The ambiguous origin of [CII] 158um in the interstellar medium complicates its use for diagnostics concerning the star-formation rate and physical conditions in photodissociation regions (PDRs). We observed the giant HII region N11 in the Large Magellanic Cloud with SOFIA/GREAT in order to investigate the origin of [CII] to obtain the total H2 gas content, the fraction of CO-dark H2 gas, and the influence of environmental effects such as stellar feedback. We present an innovative spectral decomposition method that allows statistical trends to be derived. The [CII] line is resolved in velocity and compared to HI and CO, using a Bayesian approach to decompose the profiles. A simple model accounting for collisions in the neutral atomic and molecular gas was used in order to derive the H2 column density traced by C+. The profile of [CII] most closely resembles that of CO, but the integrated [CII] line width lies between that of CO and that of HI. Using various methods, we find that [CII] mostly originates from the neutral gas. We show that [CII] mostly traces the CO-dark H2 gas but there is evidence of a weak contribution from neutral atomic gas preferentially in the faintest components. Most of the molecular gas is CO-dark. The fraction of CO-dark H2 gas decreases with increasing CO column density, with a slope that seems to depend on the impinging radiation field from nearby massive stars. Finally we extend previous measurements of the photoelectric-effect heating efficiency, which we find is constant across regions probed with Herschel, with [CII] and [OI] being the main coolants in faint and diffuse, and bright and compact regions, respectively, and with PAH emission tracing the CO-dark H2 gas heating where [CII] and [OI] emit. Our study highlights the importance of velocity-resolved PDR diagnostics and higher spatial resolution for HI observations.

연구 동기 및 목표

• 대마젤란운성의 거대 HII 영역인 N11에서 [C II] 158 µm 복사의 물리적 기원을 규명하는 것.
• HII 영역의 다양한 영역에서 CO로 탐지되지 않는 H₂ 기체(즉, CO-다크 H₂ 기체)의 비율을 정량화하는 것.
• 별성 피드백 및 복사장과 같은 환경적 요인이 CO-다크 H₂ 기체의 분포 및 탐지 가능성에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 특히 저금속성 환경인 LMC와 같은 환경에서 [C II]가 총 분자 기체 함량을 얼마나 신뢰할 수 있는 지표로 사용할 수 있는지 평가하는 것.
• CO-다크 H₂ 기체의 기여를 포함하여 CO-에서 H₂로의 전환 계수(XCO)를 개선하는 것.

제안 방법

• N11 HII 영역에서 [C II] 158 µm 선을 고스펙트럼 해상도로 SOFIA/GREAT를 통해 관측하였다.
• 베이지안 선형형태 분해 기법을 사용하여 [C II] 복사의 속도 성분을 분리하고 H I 21 cm 및 CO 선형형태와 비교하였다.
• 중성 원자 기체 및 분자 기체 내에서 C+의 단순 충돌적 자극 모델을 적용하여 [C II] 복사에서 H₂ 기체의 기체량 밀도를 유도하였다.
• [C II]/CO 선비와 CO 기체량 밀도를 기체 밀도, 열적 압력, 복사장 강도와 연관지어 CO-다크 기체의 물리적 조건을 추론하였다.
• 이전의 XCO 측정치를 확장하여 [C II] 및 [O I]를 냉각제로 사용하여 기체 냉각 효율을 제약함으로써 CO-다크 H₂ 기체의 기여를 포함하였다.
• ALMA 및 허셜 데이터와의 비교를 통해 분해 결과의 타당성을 검증하고 다양한 지표 간의 일관성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 N11 HII 영역에서 [C II] 복사의 주요 기여를 하는 은하간성간 매질(IGM) 상태는 무엇인가?
• RQ2 N11의 총 분자 기체 중 CO-다크 기체의 비율은 얼마이며, 이 비율은 지역 환경 조건에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 [C II]/CO 선비가 CO 기체량 밀도 및 기체 밀도와 어떻게 상관관계를 가지며, 이는 기체의 물리적 상태에 대해 어떤 시사점을 제공하는가?
• RQ4 대량 별의 별성 피드백은 CO-다크 H₂ 기체의 형성 및 분포에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ5 CO가 투명하거나 존재하지 않을 경우 [C II] 복사가 총 분자 기체 함량을 신뢰할 수 있는 지표로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• N11 HII 영역에서 [C II] 복사의 90퍼센트 이상이 CO-다크 H₂ 기체에서 기인하며, 이는 [C II]가 CO로 탐지되지 않는 분자 기체를 주로 추적함을 시사한다.
• CO 기체량 밀도가 낮은 영역(<10²⁰.⁵ cm⁻²)에서 CO-다크 H₂ 기체 비율이 가장 높으며, 기체량 밀도가 증가함에 따라 급격히 CO-브라이트 기체로 전이된다.
• CO-다크 H₂ 기체는 일반적으로 약 200 cm⁻³의 밀도와 10³.⁵–10⁵ K cm⁻³ 범위의 열적 압력을 가지며, 항상 주변 중성 원자 기체와 압력 평형 상태에 있는 것은 아니다.
• CO 기체량 밀도가 증가함에 따라 CO-다크 H₂ 기체 비율은 감소하지만, 10²⁰.⁵ cm⁻² 이상에서는 분산이 크므로 별성 피드백이 분자 구름의 붕괴에 기여할 가능성이 있다.
• CO-다크 H₂ 기체를 포함한 효과적 XCO 계수는 가장 밝은 [C II] 성분에서 10²¹에서 10²² (K km s⁻¹)⁻¹의 범위를 가지며, 이는 [C II]가 CO만으로는 추적하기 어려운 총 분자 기체를 더 정확히 추적할 수 있음을 시사한다.
• CO-다크 H₂ 기체 비율이 동일한 CO 기체량 밀도에서 SMC에서 LMC보다 높을 가능성이 간접적으로 제시되지만, 이 결론은 기체 온도의 불확실성으로 인해 제한되어 있다.