[논문 리뷰] Warm ISM in the Sgr A complex - II. The [C/N] abundance ratio traced by [CII] 158 μm and [NII] 205 μm observations toward the Arched Filaments at the Galactic center

Pablo García, N. Abel외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 01.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 81인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 은하 중심의 아치형 필라멘트에서 [CII] 158 μm 복사의 기여를 H II 영역과 PDRs로 분리하기 위해 [NII] 205 μm 관측을 활용하여 모델링한다. 연구 결과, AF에서 [C/N] ≈ 1.13 ± 0.09 및 [N/H] ≈ 6.21 × 10⁻⁴를 확인하였으며, 이는 은하 중심부에서 2차 질소 생성에 의해 질소 농도가 풍부해졌음을 시사한다. PDRs는 총 [CII] 복사의 20–75% 기여를 한다.

ABSTRACT

Context. The Arches Cluster – Arched Filaments (AF) system is our Galaxy’s prime example of the complexity involved in the interaction between the strong radiation field of numerous OB stars and their surrounding ISM in extremely harsh environments such as the Galactic center (GC) of the Milky Way. It offers a unique opportunity to study the close relationship between photon-dominated regions (PDRs) and H II regions and their relative contributions to the observed [CII] emission.Aims. We aim to investigate the I ([CII]) versus I ([NII]) integrated intensity behavior in the AF region in order to assess the [CII] emission contribution from the H II region, which is traced by [NII] line observations, and PDR components in the high-metallicity environment of the GC.Methods. We used [CII] 158 μm and [NII] 205 μm fine structure line observations of the AF in the literature to compare their observational integrated intensity distribution to semi-theoretical predictions for the contribution of H II regions and adjacent PDRs to the observed [CII] emission. We explored variations in the [C/N] elemental abundance ratio to explain the overall behavior of the observed relationship. Based on our models, the H II region and PDR contributions to the observed [CII] emission is calculated for a few positions within and near to the AF. Estimates for the [C/N] abundance ratio and [N/H] nitrogen elemental abundance in the AF can then be derived.Results. The behavior of the I ([CII]) versus I ([NII]) relationship in the AF can be explained by model results satisfying 0.84 ⊙ to 2 Z ⊙ , hydrogen volume density log n (H) = 3.5, and ionization parameters log U from −1 to −2. A least-squares fit to the model data points yields log I ([CII]) = 1.068 × log I ([NII]) + 0.645 to predict the [CII] emission arising from the H II regions in the AF. The fraction of the total observed [CII] emission arising from within PDRs varies between ~0.20 and ~0.75. Our results yield average values for the carbon-to-nitrogen ratio and nitrogen elemental abundances of [C/N]AF = 1.13 ± 0.09 and [N/H]AF = 6.21 × 10−4 for the AF, respectively. They are a factor of ~0.4 smaller and ~7.5 larger than their corresponding Galactic disk values.Conclusions. The large spatial variation of the fraction of [CII] emission arising either from H II regions or PDRs suggests that both contributions must be disentangled before any modeling attempt is made to explain the observed [CII] emission in the AF. We suggest thatsecondary production of nitrogen from low- to intermediate-mass stars in the Galactic bulge is a plausible mechanism to explain the large abundance differences between the GC and the Galactic disk. The mass loss of such stars would enrich the GC ISM with nitrogen as the gas falls into the inner GC orbits where the AF are located. Overall, our results show that tight constraints are needed on the [C/N] abundance ratio for the GC, significantly tighter than previous abundance measurements have discerned.

연구 동기 및 목표

• 은하 중심의 아치형 필라멘트에서 관측된 [CII] 158 μm 복사에 대한 H II 영역과 PDRs의 기여를 분리하는 것.
• 미세구조선 관측을 통해 은하 중심의 고금속도 환경에서의 [C/N] 농도 비율을 조사하는 것.
• 극한 환경에서 이온화된 기체와 중성 기체 성분이 I([CII]) 대 I([NII])) 복사 강도 관계에 미치는 상대적 역할을 평가하는 것.
• 은하 중심부의 아치형 필라멘트에서 질소 농도와 [C/N] 비율을 유도하고, 은하 디스크 값과 비교하는 것.
• 은하 중심부의 저-중간 질량 항성에서 기인하는 2차 질소 생성 메커니즘이 관측된 농도 비정상성에 대한 타당한 설명이 될 수 있는지 평가하는 것.

제안 방법

• 문헌에서 확보한 아치형 필라멘트의 기존 [CII] 158 μm 및 [NII] 205 μm 미세구조선 관측 자료를 활용하였다.
• 관측된 I([CII]) 대 I([NII]) 복사 강도 분포를 H II 영역과 인접한 PDRs의 반론적 이론 모델과 비교하였다.
• H II 영역의 [CII] 복사 기여를 다항식 피팅을 통해 모델링하였으며, 식은 log I([CII]) = 1.068 × log I([NII]) + 0.645 로 표현되었다.
• 다양한 위치에서 총 [CII] 복사의 PDRs 기여 비율을 ~20%에서 ~75% 사이로 평가하였다.
• 모델 예측을 관측된 강도 비율에 맞추어 피팅함으로써 아치형 필라멘트에서의 [C/N] 농도 비율과 [N/H] 질소 농도를 추정하였다.
• 물리적 조건을 제약하기 위해 이온화도 수준(log U: −1에서 −2)과 수소 체적 밀도(log n(H) = 3.5)를 탐색하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 아치형 필라멘트에서 관측된 [CII] 복사의 몇 퍼센트가 PDRs에서 기인하는가, 나머지는 H II 영역에서 기인하는가?
• RQ2 아치형 필라멘트에서의 [C/N] 농도 비율은 은하 디스크에서의 값과 어떻게 비교되며, 이는 핵합성에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 다양한 이온화도 및 밀도 조건 하에서 H II 영역과 PDRs 모델이 관측된 I([CII]) 대 I([NII])) 복사 강도 관계를 설명할 수 있는가?
• RQ4 아치형 필라멘트에서 추정된 질소 원소 농도 [N/H]는 얼마이며, 은하 디스크 값과 비교해보면 어떠한가?
• RQ5 은하 중심부의 저-중간 질량 항성에서 기인하는 2차 질소 생성은 관측된 농도 비정상성에 대한 타당한 설명이 될 수 있는가?

주요 결과

• 아치형 필라멘트에서 I([CII]) 대 I([NII]) 관계는 [C/N] 비율이 태양 기준 0.84에서 2.0배 사이, 수소 밀도 log n(H) = 3.5, 이온화도 수준 log U가 −1에서 −2 사이인 모델에 의해 가장 잘 설명된다.
• 데이터에 대한 다항식 피팅 결과, log I([CII]) = 1.068 × log I([NII]) + 0.645 라는 식을 도출하였으며, 이는 아치형 필라멘트의 H II 영역에서의 [CII] 복사 강도를 예측하는 데 유용하다.
• PDRs에서 기인하는 총 [CII] 복사 기여 비율은 공간적으로 약 20%에서 75% 사이로 변동하며, 이는 국소적 기여 기여도의 상당한 다양성을 시사한다.
• 아치형 필라멘트에서 유도된 [C/N] 농도 비율은 [C/N]AF = 1.13 ± 0.09 로 도출되었으며, 이는 은하 디스크 값의 약 0.4배이다.
• 아치형 필라멘트에서 질소 원소 농도는 [N/H]AF = 6.21 × 10⁻⁴ 로 추정되었으며, 이는 은하 디스크 값보다 약 7.5배 높다.
• 결과는 은하 중심부의 노령화된 저-중간 질량 항성에서 기인하는 2차 질소 생성이 내부 은하 중심부에서 관측된 질소 농도 향상 현상에 타당한 메커니즘이 될 수 있음을 시사한다.