[论文解读] A dense gas survey of the gamma-ray sources HESS J1731-347 and HESS J1729-345

Nigel Maxted, Gavin Rowell+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本研究利用Mopra 7 mm谱线观测，通过CS(1-0)发射追踪致密分子气体，针对银河系内的伽马射线源HESS J1731-347和HESS J1729-345。尽管在三条银河臂中探测到约5 × 10⁵ M⊙的致密气体，但在目前推荐的距离5.2–6.2 kpc下，未发现HESS J1731-347方向存在显著的CS(1-0)发射；而约10³ M⊙的致密气体与HESS J1729-345重叠但无明确关联，这一结果对涉及致密气体团块的强子型伽马射线产生模型提出了挑战。

ABSTRACT

The results of Mopra molecular spectral line observations towards the supernova remnant HESSJ1731-347 (G353.6-0.7) and the unidentified gamma-ray source HESSJ1729-345 are presented. Dense molecular gas in three different velocity-bands (corresponding to three Galactic arms) are investigated using the CS(1-0) line. The CS-traced component provides information about the dense target material in a hadronic scenario for gamma-ray production (cosmic rays interacting with gas) and an understanding of the dynamics. Furthermore, the effects of cosmic ray diffusion into dense gas may alter the gamma-ray spectrum to cause a flattening of spectra towards such regions. Dense molecular gas mass at a level of ~10^5 Mo was revealed in this survey, with mass of the order of ~10^3 Mo towards HESSJ1729-345 in each coincident Galactic arm, but no significant detection of dense molecular gas towards HESSJ1731-347 at the currently-preferred distance of ~5.2-6.2 kpc was discovered.

研究动机与目标

• 调查TEV伽马射线源HESS J1731-347和HESS J1729-345附近是否存在致密分子气体，以评估其在强子型伽马射线产生情景中的作用。
• 确定致密气体团块是否可通过宇宙射线扩散机制解释其他源（如RX J1713.7-3946）中观测到的谱线展平现象。
• 检验HESS J1729-345可能与致密分子气体相关联的假设，鉴于其在其他波段未被确认。
• 通过测量对应于银河臂的视线速度范围内气体质量与分布，约束伽马射线辐射中强子过程与轻子过程的贡献。
• 探索是否存在未被标准CO或HI巡天追踪到的“暗”分子气体或激波激发的物种（如SiO、CH₃OH）

提出的方法

• 利用Mopra射电望远镜进行深空7 mm谱线观测，针对CS(1-0)跃迁以追踪致密分子气体（n(H₂) ≥ 10⁴ cm⁻³）。
• 采用Mopra的波束模式光谱仪，速度分辨率为0.2 km s⁻¹，Beam FWHM为59″，达到1σ噪声水平0.04–0.08 K，并对每个像素应用保守的4.5σ检测阈值。
• 使用Goldsmith & Langer (1999)的方法，将CS(1-0)积分亮度转换为CS(J=1)柱密度，假设发射光学薄，除非检测到C³⁴S(1-0)，此时利用CS-C³⁴S丰度比22.5估算光学厚度。
• 通过固定温度20 K和CS相对H₂的丰度10⁻⁹，将CS柱密度转换为H₂柱密度，系统误差主要源于这些假设。
• 对光学厚区域使用2′高斯波束进行平滑处理，以减少光学厚与光学薄区域之间的边界伪影。
• 同步记录其他暖气体示踪剂（如C³⁴S、CH₃OH、SiO）的发射，以识别激波或恒星形成环境。

实验结果

研究问题

• RQ1 在当前推荐的距离5.2–6.2 kpc下，CS(1-0)所追踪的致密分子气体是否与TEV伽马射线源HESS J1731-347存在显著关联？
• RQ2 HESS J1729-345附近存在致密气体团块，是否支持其伽马射线辐射具有强子起源的假设，如宇宙射线扩散模型所建议？
• RQ3 在对应于3 kpc膨胀臂、Norma-Cygnus臂和Scutum-Crux臂的三个速度分量中，致密分子气体的总质量是多少？
• RQ4 是否存在与致密气体团块相关的激波激发或化学富集分子示踪剂（如SiO、CH₃OH），表明存在恒星形成或激波活动？
• RQ5 HESS J1731-347方向未检测到CS(1-0)发射，是否可由未被CO或CS追踪到的“暗”分子气体解释？

主要发现

• 在三条银河臂中共探测到约5 × 10⁵ M⊙的致密分子气体，其中约5 × 10⁴ M⊙与HESS J1731-347的北半部分重叠，约6 × 10³ M⊙在4σ水平上与HESS J1729-345重合。
• 在视线速度约−85 km s⁻¹（对应3 kpc膨胀臂和当前推荐距离5.2–6.2 kpc）方向，未检测到HESS J1731-347方向的显著CS(1-0)发射。
• 在约5 kpc距离（速度约−55 km s⁻¹）的气体对应Norma-Cygnus臂，约5 × 10³ M⊙与HESS J1729-345重合，但与伽马射线源无明确空间或速度关联。
• 在约3.2 kpc距离（速度约−23.5至−7.0 km s⁻¹）的气体对应Scutum-Crux臂，检测到C³⁴S(1-0)、CH₃OH(7-6)、HC₃N(5-4)和SiO(1-0)，表明存在温暖、致密且受激波影响的环境，可能与恒星形成有关。
• 与Scutum-Crux臂相关的HII区域G353.42−0.37为HESS J1731-347的距离提供了约3.2 kpc的下限，与先前的吸收研究结果一致。
• 尽管有约10³ M⊙的致密气体在4σ显著性水平上与HESS J1729-345重合，但未发现其伽马射线辐射与致密气体团块之间存在明确关联。