[논문 리뷰] The IRAM M33 CO(2-1) Survey - A complete census of the molecular gas out to 7 kpc

C. Druard, J. Braine외 12명|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 22.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 50인용 수 105

한 줄 요약

이 논문은 M33 은하의 분자 가스를 12" (~50 pc) 해상도로 완전한 CO(2–1) 조사 결과를 제시하며, 7 kpc까지 분자 가스를 맵핑하고 2.6 km s⁻¹ 채널당 20.3 mK의 노이즈를 기록했다. H i 데이터를 이용해 속도 기준선을 정의함으로써 총 분자 가스 질량은 3.1 × 10⁸ M⊙로 산정되었고, CO(2–1)/CO(1–0) 선비는 약 0.8로 낮았으며, H₂ 열량 밀도의 확률 밀도 함수는 자기중력에 의해 발생할 가능성이 높은 고열량 밀도 초과를 보였고, 오차 빔 수거 효과에 의해 영향을 받지 않는 H i가 적은 영역에서는 분자 가스의 증거가 없었다.

ABSTRACT

In order to study the ISM and the interplay between the atomic and molecular components in a low-metallicity environment, we present a complete high angular and spectral resolution map and data cube of the 12CO(2-1) emission from the Local Group galaxy M33. Its metallicity is roughly half-solar, such that we can compare its ISM with that of the Milky Way with the main changes being the metallicity and the gas mass fraction. The data have a 12" angular resolution (50pc) with a spectral resolution of 2.6 km/s and a mean noise level of 20 mK per channel in antenna temperature. A radial cut along the major axis was also observed in the 12CO(1-0) line. The CO data cube and integrated intensity map are optimal when using HI data to define the baseline window and the velocities over which the CO emission is integrated. Great care was taken when building these maps, testing different windowing and baseline options and investigating the effect of error beam pickup. The total CO(2-1) luminosity is 2.8e7 K km/s pc2, following the spiral arms in the inner disk. There is no clear variation in the CO(2-1/1-0) intensity ratio with radius and the average value is roughly 0.8. The total molecular gas mass is estimated, using a N(H2)/Ico(1-0)=4e20 cm-2/(K km/s) conversion factor, to be 3.1e8 Msol. The CO spectra in the cube were shifted to zero velocity by subtracting the velocity of the HI peak from the CO spectra. Hence, the velocity dispersion between the atomic and molecular components is extremely low, independently justifying the use of the HI line in building our maps. Stacking the spectra in concentric rings shows that the CO linewidth and possibly the CO-HI velocity dispersion decrease in the outer disk. Using the CO(2-1) emission to trace the molecular gas, the probability distribution function of the H2 column density shows an excess at high column density above a log normal distribution.

연구 동기 및 목표

• M33의 분자 가스를 저금속성 환경에서 연구하기 위해 7 kpc까지 완전하고 고감도·고각해상도의 CO(2–1) 방사선 맵핑을 수행한다.
• 원자적(H i) 및 분자적(CO) 가스 성분 간의 관계를 비교 분석하기 위해 그들의 속도 구조와 공간 분포를 비교한다.
• 오차 빔 수거 효과를 정량화하여 저수준의 확산 CO 방사선의 실재성을 평가하기 위해 H i 데이터를 기준선으로 사용한다.
• CO-to-H₂ 변환 계수를 사용하여 분자 가스 질량과 표면 밀도 프로파일을 산정하고, 디스크 전역에서 CO(2–1)/CO(1–0) 선비를 분석한다.
• CO 방사선에서 유도된 H₂ 열량 밀도의 확률 분포 함수(PDF)를 분석하여 자기중력의 분자 구름 구조에 미치는 영향을 조사한다.

제안 방법

• 12" 각해상도의 CO(2–1) 조사를 IRAM 30 m 망원경과 HERA 수신기 어레이를 사용하여 수행하였으며, 2400" × 3400" 맵에 걸쳐 2,000만 개 이상의 독립된 덤프를 관측하였다.
• 데이터 큐브는 H i 선 데이터를 이용해 속도 기준선과 통합 창을 정의함으로써 구성되었으며, 기준선 오차를 최소화하고 CO 방사선의 신호 대 잡음비를 향상시켰다.
• 오차 빔 수거 효과는 H i 최대 밝기 <10 K 인 영역에서 CO 방사선을 비교함으로써 정량화되었으며, 검출된 CO가 실재적인 것인지 기계적 오류인지 평가하였다.
• 신뢰성 있는 기준선 및 창 설정 기법을 사용하여 CO(2–1) 통합 강도 맵과 데이터 큐브를 제작하였으며, 여러 차례의 감도 조정 시험을 통해 검증되었다.
• H₂ 열량 밀도 PDF는 노이즈가 높은 가장자리를 제외한 CO 맵에서 유도되었으며, 고열량 밀도 영역에서의 이심을 파악하기 위해 로그정규 분포 함수로 피팅되었다.
• CO(2–1)/CO(1–0) 선비는 디스크 전역에서 측정되었으며, 전체 데이터셋에 평균값 0.8이 적용되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 M33의 H i가 적은 영역에서 분자 가스가 검출되었는가, 아니면 관측된 CO 방사선이 H i 선의 오차 빔 수거에 기인한 것인가?
• RQ2 M33의 총 분자 가스 질량은 얼마이며, 은하 중심 반경에 따라 표면 밀도 프로파일은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 M33 전역에서 원자적 및 분자적 가스의 속도 분산은 어떻게 비교되며, 이는 그들의 역학적 결합성에 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 H₂ 열량 밀도의 확률 분포 함수(PDF)는 고열량 밀도 영역에서 로그정규 분포에서 벗어나는가, 만약 그렇다면 이에 대한 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 CO(2–1)/CO(1–0) 선비는 M33 전역에서 일정한가, 아니면 반경 또는 환경에 따라 체계적으로 변화하는가?

주요 결과

• 총 CO(2–1) 광도는 2.8 × 10⁷ K km s⁻¹ pc²이며, N(H₂)/ICO(1–0) = 4 × 10²⁰ cm⁻²/(K km s⁻¹) 변환 계수를 사용하여 분자 가스 질량 3.1 × 10⁸ M⊙로 환산되었다.
• 분자 가스 표면 밀도는 반경에 따라 지수적으로 감소하며, 스케일 길이는 2.1 kpc였다.
• 전체 디스크에 걸쳐 스펙트럼을 스택했을 때 CO(2–1) 선의 반폭은 12.4 km s⁻¹였으며, 이는 원자적 및 분자적 가스 성분 간에 매우 낮은 속도 분산을 나타낸다.
• H i 최대 밝기가 10 K 이하인 영역에서는 유의미한 CO 방사선이 검출되지 않았으며, 이는 그러한 영역에서 관측된 CO 방사선이 오차 빔 수거에 기인하고 실재적인 분자 가스가 아니라는 것을 시사한다.
• H₂ 열량 밀도 PDF는 저열량 밀도 영역에서는 명확한 로그정규 프로파일을 보였지만, 약 ∼1.7 × 10²¹ cm⁻² 이상에서 뚜렷한 초과가 관측되었으며, 고열량 밀도 尾에서 기울기 s ≈ −2.4의 멱법칙 기울기를 보였으며, 이는 자기중력에 의해 발생할 가능성이 높다.
• CO(2–1)/CO(1–0) 선비는 디스크 전역에서 변동이 있었지만 평균값 0.8로 일정했으며, 반경 방향으로 체계적인 경향이 없었고, 이는 전체 질량 추정에 상수 비율을 사용하는 것이 타당하다는 것을 뒷받침한다.