[논문 리뷰] The molecular gas reservoir of 6 low-metallicity galaxies from the Herschel Dwarf Galaxy Survey: A ground-based follow-up survey of CO(1-0), CO(2-1), and CO(3-2)

D. Cormier, S. C. Madden외 15명|Chalmers Publication Library (Chalmers University of Technology)|2014. 01. 02.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 115인용 수 60

한 줄 요약

이 연구는 허셀 위성의 [C ii] 157 μm 및 [O i] 63 μm 미세구조선 실험과 함께 지상 기반의 CO(1-0), CO(2-1), CO(3-2) 관측을 통해 6개의 저중성도 저항성은하의 분자기체 저축량을 조사한다. 낮은 CO 빛세기와 높은 [C ii]/CO 비율(7,000 이상)에도 불구하고, 총 기체를 고려할 경우 이들은 샤를름-켄니컷 관계와 일치하며, 중성도 스케일링된 X_CO 요소를 사용하더라도 분자기체 고갈 시간이 짧다는 것은, 효율적인 항성 형성 과정이 비분자 기체 상태에 기여할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We aim to quantify the molecular gas reservoir in a subset of 6 low-metallicity galaxies from the Herschel Dwarf Galaxy Survey with newly acquired CO data, and link this reservoir to the observed star formation activity. We present CO(1-0), CO(2-1), and CO(3-2) observations obtained at the ATNF Mopra 22-m, APEX, and IRAM 30-m telescopes, as well as [CII] 157um and [OI] 63um observations obtained with the Herschel/PACS spectrometer in the 6 galaxies: Haro11, Mrk1089, Mrk930, NGC4861, NGC625, and UM311. We derive molecular gas mass from several methods including the use of the CO-to-H2 conversion factor Xco (both Galactic and metallicity-scaled values) and of dust measurements. The molecular and atomic gas reservoirs are compared to the star formation activity. We also constrain the physical conditions of the molecular clouds using the non-LTE code RADEX and the spectral synthesis code Cloudy. We detect CO in 5 of the 6 galaxies, including first detections in Haro11 (Z~0.4 Zsun), Mrk930 (0.2 Zsun), and UM311 (0.5 Zsun), but CO remains undetected in NGC4861 (0.2 Zsun). The CO luminosities are low while [CII] is bright in these galaxies, resulting in [CII]/CO(1-0)>10000. Our dwarf galaxies are in relatively good agreement with the Schmidt-Kennicutt relation for total gas. They show short molecular depletion time scales, even when considering metallicity-scaled Xco factors. Those galaxies are dominated by their HI gas, except Haro11 which has high star formation efficiency and is dominated by ionized and molecular gas. We determine the mass of each ISM phase in Haro11 using Cloudy and estimate an equivalent Xco factor which is 10 times higher than the Galactic value. Overall, our results confirm the emerging picture that CO suffers from significant selective photodissociation in low-metallicity dwarf galaxies.

연구 동기 및 목표

• 허셀 저항성은하 탐사에서 얻은 6개의 저중성도 저항성은하의 분자기체 저축량을 정량화하기 위해.
• 저중성도 환경에서 활발한 항성 형성과 희미한 CO 발광 사이의 괴리 문제를 해결하기 위해.
• 낮은 CO 빛세기에도 불구하고 이들 은하에서 분자기체 고갈 시간이 짧은지 평가하기 위해.
• 분자, 원자, 이온화된 기체 상태 등 다양한 은하간성 매질 상황이 저중성도 저항성은하에서 항성 형성 조절에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 표준 X_CO 변환 요소의 타당성과 먼지 기반, 복사전달 모델링 방법(예: RADEX, Cloudy)을 통한 분자질량 추정 방법의 타당성을 평가하기 위해.

제안 방법

• Mopra, APEX, IRAM 30m 천체망원경를 사용해 CO(1-0), CO(2-1), CO(3-2) 선관측을 수행하였다.
• 허셀/PACS를 통한 [C ii] 157 μm 및 [O i] 63 μm 미세구조선 스펙트로스코피를 통합하였다.
• 은하계 기준 및 중성도 스케일링된 X_CO 요소, 먼지 기반 방법, RADEX 및 Cloudy를 이용한 복사전달 모델링을 통해 분자기체 질량을 추정하였다.
• 분자기체 및 원자기체 질량을 항성 형성률과 비교하여 샤를름-켄니컷 관계를 평가하였다.
• 분자기체 구름 내 밀도, 온도, 메우는 비율 등의 물리적 조건을 제약하기 위해 Cloudy 및 RADEX를 사용하였다.
• 다양한 천체망원경의 비드 크기를 비교함으로써 비드 확산 및 소스 크기 불확실성을 고려하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 저중성도 저항성은하는 희미한 CO 발광에도 불구하고 활발한 항성 형성을 보이는가?
• RQ2 표준 X_CO 요소가 무효한 상황에서 이들 은하의 진정한 분자기체 질량은 무엇인가?
• RQ3 [C ii]/CO 빛세기 비율은 저중성도 환경에서 기체의 물리적 조건과 기체 가열 효율성을 어떻게 반영하는가?
• RQ4 원자기체 및 이온화 기체 상태가 이들 은하의 항성 형성에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 저중성도 저항성은하의 분자기체 고갈 시간은 고중성도 나선은하와 다를까?

주요 결과

• CO는 6개 은하 중 5개에서 검출되었으며, Haro 11(Z ≈ 0.4 Z⊙), Mrk 930(Z ≈ 0.2 Z⊙), UM 311(Z ≈ 0.5 Z⊙)에서 처음으로 검출되었고, NGC 4861(Z ≈ 0.2 Z⊙)는 검출되지 않았다.
• 모든 검출된 은하에서 [C ii]/CO(1-0) 빛세기 비율이 7,000 이상이었으며, 이는 CO 발광 물질의 낮은 메우는 비율과 높은 [C ii] 가열 효율을 나타낸다.
• 분자기체 질량은 방법에 따라 크게 달라졌다: 은하계 X_CO는 비현실적으로 낮은 질량을 예측했고, 중성도 스케일링된 X_CO, 먼지 기반 추정, 복사전달 모델링은 불확실성이 몇 배 이내로 일관된 더 높은 값을 도출하였다.
• 낮은 분자기체 비율에도 불구하고, NGC 4861을 포함한 모든 은하가 총 기체 기반 샤를름-켄니컷 관계와 일치하며, 항성 형성은 총 기체 저축량에 의해 조절된다는 것을 시사한다.
• 중성도 스케일링된 X_CO 요소를 사용하더라도 분자기체 고갈 시간이 짧았으며, 이는 항성 형성 효율이 높거나 원자기체/이온화 기체가 항성 형성에 기여하는 비율이 높다는 것을 시사한다.
• 높은 항성 형성 효율을 보이며 이온화 및 분자기체로 구성된 Haro 11에서는 유도된 X_CO 요소가 은하계 값보다 10배 높게 추정되었으며, 이는 분자기체 덩어리의 극도로 높은 광분해 또는 구조적 차이를 시사한다.