[논문 리뷰] Planck's dusty GEMS. VI. Multi-J CO excitation and interstellar medium conditions in dusty starburst galaxies at z=2-4

R. Cañameras, C. Yang외 9명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 27.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 112인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 IRAM 30m 망원경을 사용하여 z=2–4 범위의 11개의 강한 렌즈 효과를 받은 먼지가 풍부한 별성성 은하에 대한 다중-J CO 선 분포를 수행하여, 운동온도 30–1000 K, 밀도 10^2.6–10^4.1 cm⁻³인 매우 높은 에너지 상태의 분자기체를 규명하였다. 주요 발견은 이러한 은하들이 따뜻하고 밀도가 높은 기체 상과 더불어 더 차가우며 밀도가 낮은 기체 저축소를 모두 지니며, 후자의 기체 질량이 총 기체 질량의 최대 50%에 이르며, 이는 PDR 모델과 일치하고, 밀려는 은하보다 10²–10⁴배 강한 원추외자외선 복사장과도 일치한다.

ABSTRACT

We present an extensive CO emission-line survey of the Planck's dusty GEMS, a small set of 11 strongly lensed dusty star-forming galaxies at z = 2-4 discovered with Planck and Herschel satellites, using EMIR on the IRAM 30-m telescope. We detected a total of 45 CO rotational lines from Jup=3 to Jup=11, and up to eight transitions per source, allowing a detailed analysis of the gas excitation and interstellar medium conditions within these extremely bright, vigorous starbursts. We applied radiative transfer models using the large velocity gradient approach to infer the spatially-averaged molecular gas densities, $n_{H_2}$~10$^{2.6-4.1}$ cm$^{-3}$, and kinetic temperatures, $T_k$~30-1000 K. In five sources, we find evidence of two distinct gas phases with different properties and model their CO ladder with two excitation components. The warm (70-320 K) and dense gas reservoirs in these galaxies are highly excited, while the cooler (15-60 K) and more extended low-excitation components cover a range of gas densities. In two sources, the latter is associated with diffuse Milky Way-like gas phases, which provides evidence that a significant fraction of the total gas masses of dusty starburst galaxies can be embedded in cool, low-density reservoirs. Finally, we show that the CO line luminosity ratios are consistent with those predicted by models of photon-dominated regions and disfavor scenarios of gas clouds irradiated by intense X-ray fields from active galactic nuclei. By combining CO, [CI] and [CII] line diagnostics, we obtain average PDR gas densities significantly higher than in normal star-forming galaxies at low-redshift, and far-ultraviolet radiation fields at least 100 times more intense than in the Milky Way. These spatially-averaged conditions are consistent with those in high-redshift SMGs and in a range of low-redshift environments.

연구 동기 및 목표

• 고적색도의 먼지가 풍부한 별성성 은하의 간성간 매질(ISM) 조건을 다중-J CO 흥(excitation) 진단을 통해 규명하는 것.
• z=2–4의 극한의 별성 환경에서 분자기체의 물리적 조건, 즉 밀도, 온도, 흥(excitation) 조건을 규명하는 것.
• 이 시스템에서 차가운, 밀도가 낮은 기체 상이 총 분자기체 질량에 얼마나 기여하는지 평가하는 것.
• CO 선 빛의 세기 비율이 광자에 의해 영향을 받는 영역(PDR) 모델과 일치하는지, 또는 AGN의 X선 복사에 의해 영향을 받는 다른 시나리오와 일치하는지 테스트하는 것.

제안 방법

• IRAM 30m 망원경의 EMIR를 사용하여 11개의 렌즈 효과를 받은 은하에서 J_up=3에서 J_up=11에 이르는 45개의 회전선 전이를 탐지하는 광범위한 CO 복사선 조사 수행.
• 대규모 속도 기울기(LVG) 복사전달 모델을 적용하여 CO 스펙트럼 선 에너지 분포(SLEDs)로부터 공간 평균 분자기체 밀도(n_H₂)와 운동온도(T_k)를 유도.
• 다섯 개의 소스에서 두 성분의 흥(excitation) 모델을 적용하여 서로 다른 물리적 특성을 지닌 다중 기체 상을 고려.
• 동반 논문과 문헌에서 확보한 [C i] 및 [C ii] 선 측정치와 CO 자료를 융합하여, 기체 밀도와 원추외자외선(FUV) 복사장 강도(G₀)를 포함한 PDR 모델 파rameter를 유도.
• 렌즈 효과 제거 기법을 사용하여 진정한 분자기체 질량을 추정하고, GBT에서 확보한 CO(1–0) 복사선 유량과 비교하여 희박한 기체 상의 존재 여부를 평가.
• 복사선 유량 보정의 신뢰성과 불일치하는 CO 선 비율을 해석하여, 이는 차별적 렌즈 효과보다는 낮은 밀도 기체 저축소의 존재를 증거로 간주.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중-J CO 전이를 통해 z=2–4 먼지가 풍부한 별성성 은하의 분자기체 물리적 조건(밀도, 온도, 흥)은 어떻게 규명되는가?
• RQ2 이 은하들은 서로 다른 흥 특성을 지닌 다중 기체 상을 지니는가? 그리고 각 상의 기여도는 총 기체 질량에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 관측된 CO 선 빛의 세기 비율은 광자에 의해 영향을 받는 영역(PDR) 모델 예측과 일치하는가, 아니면 AGN의 X선 복사에 의해 영향을 받는 다른 조건을 지지하는가?
• RQ4 유도된 FUV 복사장과 기체 밀도는 국지적 별성성 은하 및 다른 고적색도의 마이크로파 은하와 비교하여 어떻게 다를까?
• RQ5 이 시스템의 총 분자기체 질량 중 차가운, 밀도가 낮은 기체 상이 얼마나 분포되어 있으며, 이는 CO 빛의 세기 기반 질량 추정에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 11개 소스 중 9개에서 CO 스펙트럼 선 에너지 분포(SLEDs)가 J_up=4와 J_up=7 사이에서 피크를 이룬다. 이는 별성 환경에서 일반적인 높은 흥(excitation) 상태를 나타낸다.
• 분자기체는 공간 평균 밀도 n_H₂ ≈ 10^2.6–10^4.1 cm⁻³, 운동온도 T_k ≈ 30–1000 K를 지닌다. 다섯 개의 소스에서 따뜻하고 밀도가 높은 기체 상(70–320 K, n_H₂ ≈ 10^3.0–10^4.5 cm⁻³)을 확인하였다.
• 두 개의 소스에서 더 차가우며, 낮은 흥(excitation) 특성을 지닌 낮은 밀도 기체 상(n_H₂ ≈ 10^2.4–10^2.8 cm⁻³)을 탐지하였으며, 이는 밀려는 은하의 희박한 기체와 유사하고 총 기체 질량의 최대 50%를 차지한다.
• 유도된 PDR 기체 밀도(n_PDR ≈ 10^4–10^5 cm⁻³)는 국지적 정상 별성성 은하보다 현저히 높아 극단적인 ISM 조건을 시사한다.
• 원추외자외선(FUV) 복사장은 밀려는 은하보다 10²에서 10⁴배 강력하며, 강력한 별성과 PDR 모델과 일치한다.
• 모델에 의한 CO(1–0) 복사선 유량은 다섯 개의 소스에서 GBT 측정치보다 낮게 예측되었으며, 이는 표준 CO 스케일링 관계에 포함되지 않은 풍부한 희박한 기체 저축소가 존재함을 시사한다.