[論文レビュー] A large CO and HCN line survey of Luminous Infrared Galaxies

Panagiotis Papadopoulos, T. R. Greve+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2007

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、JCMTおよびIRAM 30メートル望遠鏡を用いて、30個の発光赤外銀河（LIRGs）における複数の遷移を含むCOおよびHCNの観測を統合し、これまでで最大の銀河間分子線サーベイを実施した。その結果、励起状態補正を行わない限り、HCN J=1–0線の放射度は高密度ガス質量の良好なトレーサーでないことが判明した。また、一部のULIRGsに見られる低励起状態の分子ガス貯留は、高赤方偏移における類縁銀河の高J CO線による検出に強いバイアスをもたらす可能性がある。

ABSTRACT

A large CO, HCN multi-transition survey of 30 Luminous Infrared Galaxies ($ m L_{IR}>10^{11} L_{\odot}$) is nearing completion with the James Clerk Maxwell Telescope (JCMT) on Mauna Kea (Hawaii), and the IRAM 30-meter telescope at Pico Veleta (Spain). The CO J=1--0, 2--1, 3--2, 4--3,6--5, $ ^{13}$CO J=2--1, HCN J=1--0, 3--2, 4--3 observations, resulting from $\sim 250$ hours of JCMT, $\sim 100$ hours of 30-m observing time and data from the literature constitute {\it the largest extragalactic molecular line survey to date}, and can be used to address a wide range of issues and eventually allow the construction of reliable Spectral Line Energy Distributions (SLEDs) for the molecular gas in local starbursts. First results suggest that: a) HCN and HCO$^+$ J=1--0 line luminosities can be poor mass estimators of dense molecular gas ($ m n\geq 10^4 cm^{-3}$) unless their excitation is accounted for, b) CO cooling of such gas in ULIRGs may be comparable to that of the CII line at $ m 158 μm$, and c) low excitation of the {\it global} molecular gas reservoir remains possible in such systems. In such cases the expected low CO $ m J+1 o J$ line luminosities for $ m J+1\geq 4$ can lead to a strong bias against their detection from ULIRGs at high redshifts.

研究の動機と目的

• 複数遷移のCOおよびHCN線観測を用いて、局所のLIRGsにおける高密度分子ガス（n ≥ 10⁴ cm⁻³）の励起状態と質量を特徴づけること。
• 励起効果を考慮した上で、HCNおよびHCO⁺ J=1–0線が高密度分子ガスの質量トレーサーとしてどれほど信頼できるかを評価すること。
• COおよびCII線の冷却能率を比較することで、ULIRGsにおける分子ガスの熱的バランスを調査すること。
• 星形成銀河における低励起状態の分子ガス貯留がどれほど一般的であるかを特定し、高赤方偏移における検出に与える影響を評価すること。
• 今後の高赤方偏移サーベイに役立てるために、局所の星形成銀河分子ガスの信頼性のあるスペクトル線エネルギー分布（SLED）を構築すること。

提案手法

• JCMTおよびIRAM 30メートル望遠鏡を用いて、30個のLIRGsにおける複数遷移のCO（J=1–0, 2–1, 3–2, 4–3, 6–5, 13CO J=2–1）およびHCN（J=1–0, 3–2, 4–3）線サーベイを実施した。
• JCMTで約250時間、30メートル望遠鏡で約100時間の観測時間を確保し、文献データを補完した。
• 観測された線比からガス密度、動的温度、光学厚さを制約するために、大型速度勾配（LVG）放射輸送モデルを用いた。
• CO J=4–3およびJ=6–5線の放射度とCII 158 μm線の冷却能率を比較することで、分子ガスの熱的バランスを評価した。
• HCNおよびHCO⁺線比の傾向（例：(4–3)/(1–0)）を分析し、分子間のガス密度および励起状態の違いを推定した。
• 低励起状態の系（例：IRAS 05189-2524）における期待される高J CO線放射度と一般的なサーベイ感度限界を比較することで、検出バイアスを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 励起効果を考慮しない場合、HCN J=1–0線の放射度はLIRGsにおける高密度分子ガス質量（n ≥ 10⁴ cm⁻³）をどれほど信頼できるトレーサーとして示せるか？
• RQ2 同じIRおよびCO J=1–0放射度を持つULIRGsにおいて、高J COおよびHCN線の励起状態はどのように異なるか？
• RQ3 ULIRGsにおけるCOおよびCII線の冷却寄与度はそれぞれどのように異なり、低 luminosity 系統と比較して分子ガスの熱的バランスが変化するか？
• RQ4 低励起状態の分子ガス貯留はLIRGsにおいてどれほど一般的であり、高J CO線による高赤方偏移類縁銀河の検出にどのような影響を及えるか？
• RQ5 HCNおよびHCO⁺線比は、異なる高密度ガス相を区別できるか？また、HCNはULIRGsにおける最も高密度な成分をトレースするか？

主な発見

• 励起効果を明示的に考慮しない限り、HCN J=1–0線の放射度は高密度分子ガス（n ≥ 10⁴ cm⁻³）の質量トレーサーとして不適切である。
• Arp 220およびNGC 6240では、HCN (4–3)/(1–0)線比（0.6–0.8）がHCO⁺ (4–3)/(1–0)線比（0.21–0.33）よりも顕著に高く、HCNがより高密度なガス相をトレースしていることを示している。
• Mrk 231では、CO J=4–3およびJ=6–5線が、密度がやや高い（n ~ 1–3×10⁴ cm⁻³）、中程度に暖かい（Tₖ ~ 50–70 K）ガス相から発生しており、そのCO線冷却全体のエネルギーはCII 158 μm線と同等である。
• IRAS 05189-2524では、低励起状態のCO線比（J+1 ≥ 4 の場合、CO(J+1–J)/(1–0) ≤ 0.01）が観測され、銀河系銀河雲に一般的な拡散的・冷却したガス相（Tₖ ~ 15 K、n ~ 100 cm⁻³）に一致している。
• IRAS 05189-2524における低J COの励起状態は、高J CO線（J ≥ 4）が現在の機器では検出不能であることを示しており、10倍の高いIR放射度にスケーリングしても同様である。これは、高赤方偏移においてこのような系が検出されにくく、強いバイアスが生じることを示唆している。
• このような低励起状態の系の発見は、強力な星形成と併存する低励起状態の分子ガスの大規模貯留が存在しうることを示しており、星形成銀河における普遍的な高励起SLEDの仮定に疑問を呈する。