[论文解读] A cold metal-poor cloud traced by a weak MgII absorption at z~0.45. First detection of SiI, CaI and FeI in a QSO absorber

V. D’Odorico|ArXiv.org|May 3, 2007

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 25被引用 10

一句话总结

本研究首次在红移 z ≈ 0.452 的类星体 HE0001-2340 方向的类星体吸收体中探测到中性硅（Si I）、钙（Ca I）和铁（Fe I）。利用高分辨率 UVES 光谱和光致电离模型，作者识别出一个寒冷、金属丰度较低的云气，其镁相对于铁的丰度异常偏低，挑战了标准核合成与尘埃耗竭模型，并提出复杂的非均匀密度结构以解释观测到的离子丰度比。

ABSTRACT

We present the observations of a weak MgII absorption system detected at z~0.452 in the UVES high resolution spectrum of the QSO HE0001-2340. The weaker of the two MgII components forming the system shows associated absorptions due to SiI, CaI and FeI observed for the first time in a QSO spectrum. We investigate the nature of this absorber by comparing its properties with those of different classes of absorbers (weak MgII, Damped Ly-alpha systems and local interstellar clouds) and reproducing its ionization conditions with photoionization models. The observed absorber belongs to the class of weak MgII systems on the basis of its equivalent width, however the relative strength of commonly observed transitions deviates significantly from those of the above mentioned absorbers. A rough estimate of the probability to cross such a system with a QSO line of sight is P~0.03. The presence of rare neutral transitions suggests that the cloud is shielded by a large amount of neutral hydrogen. A detailed comparison of the observed column densities with the average properties of damped Ly-alpha systems and local interstellar cold clouds shows, in particular, deficient MgII/MgI and CaII/CaI ratios in our cloud. The results of photoionization models indicate that the cloud could be ionized by the UV background. However, a simple model of a single cloud with uniform density cannot reproduce the observed ionic abundance ratios, suggesting a more complex density structure for the absorber. Supposing that ionization corrections are negligible, the most puzzling result is the underabundance of magnesium with respect to iron which is hard to explain both with nucleosynthesis and with differential dust depletion. [Abridged]

研究动机与目标

• 通过 z ≈ 0.452 处的弱 Mg II 吸收线，识别并表征一种罕见的寒冷、金属丰度较低的星系际云气。
• 通过将离子柱密度与已知吸收体类型进行比较，研究该吸收体的电离与物理条件。
• 确定观测到的中性物种（Si I、Ca I、Fe I）是否表明由高柱密度中性氢和低电离状态导致的屏蔽作用。
• 检验均匀密度的标准化光致电离模型是否能重现观测到的离子丰度比。
• 探讨异常 Mg/Fe 丰度比的起源，该比值无法用核合成与尘埃耗竭模型解释。

提出的方法

• 利用信噪比 ≈ 60–100 的高分辨率 UVES 光谱（R ≈ 45,000）对类星体 HE0001-2340 进行观测，以探测吸收线。
• 采用 Voigt 分线型拟合方法测量 Mg I、Mg II、Si I、Ca I、Ca II、Mn II、Fe I 和 Fe II 的柱密度。
• 通过生长曲线分析确认，柱密度测量值未显著低估，特别是 Fe II 和 Mg II。
• 将该观测系统与 ESO 大型计划中的 28 个弱 Mg II 系统及文献中的 24 个系统进行比较，同时参考 11 个氘化莱曼-α 系统和 44 个银河系视线方向。
• 利用 Cloudy 程序运行光致电离模型网格，以重现观测到的 Mg I/Mg II、Ca I/Ca II 和 Fe I/Fe II 柱密度比。
• 利用紫外背景谱约束电离参数，其中 J912 的对数值范围为 -22.3 至 -21.98。

实验结果

研究问题

• RQ1 在探测到稀有中性物种的条件下，z ≈ 0.452 处的弱 Mg II 吸收体的物理条件与电离状态为何？
• RQ2 该系统的离子丰度分布与氘化莱曼-α 系统及本地寒冷星际云相比有何异同？
• RQ3 标准化光致电离模型（假设均匀密度）能否重现 Mg I/Mg II、Ca I/Ca II 和 Fe I/Fe II 的观测柱密度比？
• RQ4 为何该系统中镁相对于铁显著贫乏？这一现象如何与核合成和尘埃耗竭模型相协调？
• RQ5 在类星体视线方向上遇到此类罕见、寒冷、金属丰度较低的云气的概率是多少？

主要发现

• 该系统被归类为弱 Mg II 吸收体，但其镁相对于铁的丰度异常偏低，[Fe/H] 估计值介于 -2.78 至 -3.78 之间，低于任何已知的 DLA。
• 首次在类星体吸收体中探测到 Si I、Ca I 和 Fe I，表明其处于高度屏蔽、低电离的环境。
• Mg I/Mg II 和 Ca I/Ca II 比值较典型弱 Mg II 系统及氘化莱曼-α 系统高出至少一个至两个数量级，表明其电离状态显著更低。
• 均匀密度平板光致电离模型无法同时重现所有三个观测到的离子柱密度比，暗示需要复杂的非均匀密度结构。
• 为匹配 Mg 和 Ca 的比值，所需氢密度分别为 nH ≈ 10–60 cm⁻³ 和 150–1000 cm⁻³，而 Fe I/Fe II 比值则要求更高的密度（>1000 cm⁻³），进一步支持结构复杂性的必要性。
• 沿类星体视线方向遇到此类系统的概率估计为 P ≈ 0.03，表明其极为罕见。