[논문 리뷰] [CII] 158$μ$m and [NII] 205$μ$m emission from IC 342 - Disentangling the emission from ionized and photo-dissociated regions

M. Röllig, R. Simon외 4명|Data Archiving and Networked Services (DANS)|2016. 04. 25.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 38인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 SOFIA/GREAT 관측을 통해 IC 342 핵의 [C II] 158 µm 복사의 기여 요소를 분리하여, [C II] 복사의 70%가 광학적 이온화 영역(H II 영역)에서 기인하며, 이는 이전에 [C II]가 주로 광분해 영역(PDRs)에서 기인한다는 가정과 도전하는 결과를 도출한다. 운동학적 분석은 확장되는 이중성 이온화 빔을 확인하여 핵의 기하학적 모델을 재검토할 필요가 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Aims: We investigate how much of the [CII] emission in the nucleus of the nearby spiral galaxy IC 342 is contributed by PDRs and by the ionized gas. We examine the spatial variations of starburst/PDR activity and study the correlation of the [CII] line with the [NII] 205{ extmu}m emission line coming exclusively from the HII regions. Methods: We present small maps of [CII] and [NII] lines recently observed with the GREAT receiver on board SOFIA. In particular we present a super-resolution method to derive how unresolved, kinematically correlated structures in the beam contribute to the observed line shapes. Results: We find that the emission coming from the ionized gas shows a kinematic component in addition to the general Doppler signature of the molecular gas. We interpret this as the signature of two bi-polar lobes of ionized gas expanding out of the galactic plane. We then show how this requires an adaptation of our understanding of the geometrical structure of the nucleus of IC~342. Examining the starburst activity we find ratios $I([CII])/I(^{12}\mathrm{CO} (1-0))$ between 400 and 1800 in energy units. Applying predictions from numerical models of HII and PDR regions to derive the contribution from the ionized phase to the total [CII] emission we find that 35-90% of the observed [CII] intensity stems from the ionized gas if both phases contribute. Averaged over the central few hundred parsec we find for the [CII] contribution a HII-to-PDR ratio of 70:30. Conclusions: The ionized gas in the center of IC 342 contributes more strongly to the overall [CII] emission than is commonly observed on larger scales and than is predicted. Kinematic analysis shows that the majority of the [CII] emission is related to the strong but embedded star formation in the nuclear molecular ring and only marginally emitted from the expanding bi-polar lobes of ionized gas.

연구 동기 및 목표

• IC 342 핵 영역의 [C II] 158 µm 복사에 기여하는 이온화 기체(H II 영역)와 광분해 기체(PDRs)의 기여를 분리하는 것.
• 중앙 분자 고리 전역에서 초성성 활동과 PDR 활동의 공간적 변화를 조사하는 것.
• [N II] 205 µm를 이온화 기체의 추적자로 사용하여 총 [C II] 복사에 대한 H II 영역의 상대 기여도를 결정하는 것.
• 특히 확장되는 이온화 빔과 같은 운동학적 구조가 관측된 선형 프로파일에 미치는 영향을 평가하고, IC 342의 핵 구조 기하학 모델을 재검토할 필요가 있는지 판단하는 것.

제안 방법

• SOFIA의 GREAT 수신기로 고각해상도 및 고스펙트럼 해상도의 [C II] 158 µm 및 [N II] 205 µm 선형 프로파일을 확보하였다.
• 관측된 선형 프로파일을 설명하기 위해 빔 내에서 운동학적으로 연관된 구조를 복원하기 위해 초해상도 기법을 적용하였다.
• 이론적 [N II]–[C II] 상관관계를 사용하여 관측된 [C II] 스펙트럼에서 H II 영역 기여를 시뮬레이션하고 제거하여 잔류 PDR 복사로 분리하였다.
• 기타 알려진 밀집 H II 영역 특성에 기반해 LTE 조건 하에서 투명한 [C II] 및 [N II] 복사를 모델링하여 기여도를 추정하였다.
• 관측된 선형형태를 시뮬레이션된 해상도 없는 운동학적 구성요소로 수치적 피팅하여 주요 복사 구조를 추론하였다.
• 미세구조 선의 중심 속도를 12 CO (1-0) 데이터와 비교하여 분자 기체와 관련이 없는 운동학적 구성요소를 식별하여 이온화 기체의 운동을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IC 342 핵에서 관측된 [C II] 158 µm 복사 중 얼마나 많은 비율이 이온화 기체(H II 영역)에서 기인하고, 얼마나 많은 비율이 광분해 영역(PDRs)에서 기인하는가?
• RQ2 [C II] 선형 프로파일의 운동학적 특성은 어떻게 확장되는 이온화 기체 구조, 예를 들어 은하 평면 위아래에 위치한 이중성 빔의 존재를 드러내는가?
• RQ3 이 환경에서 [N II] 205 µm 선은 [C II] 복사의 이온화 기체 기여를 신뢰할 수 있는 추적자로 사용할 수 있는가?
• RQ4 [C II]/12 CO (1-0) 선비의 공간적 변화는 중앙 분자 고리 전역에서 별 형성 활동의 차이를 어떻게 반영하는가?
• RQ5 [C II] 복사의 운동학적 서명을 고려할 때, IC 342 핵의 기하학적 모델은 어떻게 수정되어야 하는가?

주요 결과

• 중앙 수백 파섹 범위에서 평균적으로 IC 342 핵의 [C II] 복사 중 70%가 이온화 기체(H II 영역)에서 기인하며, 나머지 30%는 PDRs에서 기인한다.
• [C II]/12 CO (1-0) 선비는 에너지 단위로 400에서 1800 사이로 공간적으로 변동하며, 이는 별 형성 활동의 강한 공간적 변화를 나타내며, 특히 남서부 구역에서 최고 수준을 보인다.
• 운동학적 분석은 CO에서는 관측되지 않는 [C II] 프로파일에 특별한 도플러 시프트 성분을 확인하였으며, 이는 은하 평면 위아래에 위치한 확장되는 이중성 이온화 빔으로 해석된다.
• [N II] 205 µm 선은 H II 영역에서 기인하는 [C II] 복사와 강하게 상관되며, 이는 그가 이온화 기체의 추적자로 사용될 수 있음을 확인한다; 제거 후 잔류 [C II]는 위치에 따라 24–58%의 PDR 기여를 나타낸다.
• 지도의 북부 영역에서는 잔류 [C II] 선폭이 CO와 일치하지만, 남부에서는 30–40% 더 넓어져 더 높은 난류성과 덩어리로 이루어진 PDRs가 있음을 시사하며, 이는 강한 별 형성 활동의 결과로 보인다.
• LTE 조건 하에서 투명한 복사 모델링 결과, 알려진 밀집 H II 영역이 관측된 [C II] 강도의 약 66%를 차지하며, 다른 방법과 일관되게 나타났다.