[논문 리뷰] The Dense Gas Mass Fraction and the Relationship to Star Formation in M51

M. H. Heyer, Benjamin Gregg외 16명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 20.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 75인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 대형 밀리미터 망원경에서 확보한 고해상도 12CO 및 HCN J=1-0 관측을 통해 M51의 조밀한 가스 질량 분율과 성간 별 형성 효율성을 조사한다. 연구 결과, 조밀한 가스 분율은 나선 팔과 간성 영역에서 거의 일정하지만, 중심 부두에서 압력이 상승함에 따라 급격히 증가함을 밝혀내었으며, 이는 분자구 nucl이 자중력 상태에서 희박한 상태로 전이됨에 따라 조밀한 가스의 별 형성 효율이 높은 압력 환경에서 감소하기 때문이다.

ABSTRACT

Observations of 12CO J=1-0 and HCN J=1-0 emission from NGC 5194 (M51) made with the 50~meter Large Millimeter Telescope and the SEQUOIA focal plane array are presented. Using the HCN to CO ratio, we examine the dense gas mass fraction over a range of environmental conditions within the galaxy. Within the disk, the dense gas mass fraction varies along spiral arms but the average value over all spiral arms is comparable to the mean value of interarm regions. We suggest that the near constant dense gas mass fraction throughout the disk arises from a population of density stratified, self gravitating molecular clouds and the required density threshold to detect each spectral line. The measured dense gas fraction significantly increases in the central bulge in response to the effective pressure, P_e, from the weight from the stellar and gas components. This pressure modifies the dynamical state of the molecular cloud population and possibly, the HCN emitting regions, in the central bulge from self-gravitating to diffuse configurations in which P_e is greater than the gravitational energy density of individual clouds. Diffuse molecular clouds comprise a significant fraction of the molecular gas mass in the central bulge, which may account for the measured sublinear relationships between the surface densities of the star formation rate and molecular and dense gas.

연구 동기 및 목표

• 압력과 나선 구조와 같은 환경 조건이 M51의 조밀한 가스 질량 분율과 별 형성 효율에 어떻게 영향을 미치는지 조사하기.
• 다양한 은하 환경에서 조밀한 가스 질량 분율이 일정하게 유지되는지 여부를 규명하기.
• 외부 압력이 분자구의 역학 상태를 자중력 상태에서 희박한 상태로 전환시키는 역할을 분석하기.
• 구름 상태 전이가 관측된 별 형성률과 조밀한 가스 표면 밀도 사이의 비선형 스케일링에 미치는 영향을 평가하기.
• 중심 부두와 같은 고압 환경에서 HCN J=1-0 선이 실제로 별 형성에 기여하는 조밀한 가스를 신뢰할 수 있는 추적자로 사용할 수 있는지 테스트하기.

제안 방법

• 50m 대형 밀리미터 망원경의 SEQUOIA 초점면 배열을 사용하여 582 pc 해상도에서 12CO J=1-0 및 HCN J=1-0 복사 데이터를 확보하였다.
• LMT 스펙트럼선 소프트웨어를 사용하여 데이터를 처리하였으며, 기저선 제거 및 다수의 맵을 스펙트럼선 큐브로 통합하였다.
• CO 및 HCN 데이터를 HCN 해상도(λ/D = 14′′)에 맞추어 재샘플링하고, 5 km s−1로 스펙트럼 스무딩을 수행하여 직접 비교할 수 있도록 하였다.
• 빔 효율 및 메인 비드 온도 보정을 고려한 HCN 대 CO 광도 비율을 사용하여 조밀한 가스 질량 분율을 계산하였다.
• GALEX, Spitzer 및 SDSS 광도 측정을 통해 별 형성률 표면 밀도를 유도하였으며, 3.6 µm 이미지의 Galfit 모델링을 통해 은하수 질량 표면 밀도를 유도하였다.
• Galfit 모델에 부두, 나선, 디스크 성분을 포함하여 은하수 질량 표면 밀도 및 형태학적 특징을 기반으로 영역을 나선 팔, 간성, 중심 부두로 분류하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 M51의 다양한 은하 환경에서 조밀한 가스 질량 분율은 어떻게 변화하는가? 특히 나선 팔과 간성 영역 간의 차이를 고려하여.
• RQ2 외부 압력(Pe)이 분자구의 역학 상태와 HCN J=1-0 복사에 의한 조밀한 가스 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 왜 고압 영역, 예를 들어 중심 부두와 같은 곳에서 조밀한 가스의 별 형성 효율이 조밀한 가스 표면 밀도에 대해 비선형적일까?
• RQ4 중심 부두에서 자중력 상태에서 희박한 상태로의 전이가 관측된 조밀한 가스 별 형성 효율 저하를 설명할 수 있는가?
• RQ5 외부 압력이 높아 구름의 구조가 역학적으로 변화한 고압 환경에서 HCN J=1-0 선이 여전히 조밀한 가스를 신뢰할 수 있는 추적자로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• M51의 디스크에서 나선 팔과 간성 영역 간의 조밀한 가스 질량 분율은 거의 일정하며, 평균적으로 유의미한 차이가 없다.
• 은하수 질량 표면 밀도가 500 M⊙/pc²를 초과하는 중심 부두에서는 외부 압력 상승으로 인해 조밀한 가스 질량 분율이 급격히 증가한다.
• 자중력 상태에서 희박한 상태로의 전이가 은하수 질량 표면 밀도 400~1000 M⊙/pc² 사이에서 발생하며, 이는 조밀한 가스 별 형성 효율 감소와 함께 나타난다.
• 중심 부두에서는 별 형성이 점점 더 조밀하고 고밀도의 자중력 핵심으로 국한되며, 이들은 HCN J=1-0 광도에 기여하지 못함으로써 SFEdense 감소를 설명할 수 있다.
• 고압 영역에서 별 형성률과 조밀한 가스 표면 밀도 사이의 비선형 스케일링은 주로 별 형성에 기여하지 않는 희박한 분자가스가 지배하기 때문이며, 이는 HCN 복사에 기여하지만 별 형성에는 기여하지 않는다.
• 중심 부두에서 자중력 에너지 밀도(UG)가 외부 압력(Pe) 이하로 떨어지며, 이는 자중력 상태에서 압력에 의해 봉인된 상태로의 전이를 나타내며, 이는 별 형성에 비해 감지 가능한 조밀한 가스 복사의 감소를 초래한다.