[논문 리뷰] Dense gas in nearby galaxies XIII. CO submillimeter line emission from the starburst galaxy M82

R. Q. Mao, C. Henkel외 6명|arXiv (Cornell University)|2000. 05. 24.

Spectroscopy and Laser Applications인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 M82의 은하핵 별성폭발 영역에서의 마이크로미터 및 밀리미터 영역의 CO 전이를 맵핑하여, 별도의 흥(excitation) 성분을 지닌 비대칭적인 두 개의 루프를 밝혀냈다. PDR 모델을 사용하여, 밀도 높은 덩어리가 아니라 흩트러진, 자외선에 의해 조명된 분자기체가 CO 복사의 주요 기여자임을 보여주며, 높은 12CO/13CO 비율과 LVG 모델링에서의 모순을 해결한다.

ABSTRACT

12CO 1-0,2-1,4-3,7-6, and 13CO 1-0, 2-1, and 3-2 line was mapped with angular resolutions of 13" - 22" toward the nuclear region of starburst galaxy M82. The difference of lobe spacings in submillimeter (~15") and millimeter (~26") lines indicates the presence of a `low' and a `high' CO excitation component. An LVG excitation analysis of the submillimeter lines leads to inconsistencies, since area and volume filling factors are almost the same, resulting in cloud sizes along the lines-of-sight that match the entire size of the M82 starburst region. Nevertheless, LVG column densities agree with estimates derived from the dust emission in the far infrared and at submillimeter wavelengths. Accounting for high UV fluxes and variations in kinetic temperature and assuming that the observed emission arises from photon dominated regions (PDRs) resolves the problems related to an LVG treatment of the radiative transfer. 12CO/13CO line intensity ratios > 10 indicate that the bulk of the CO emission arises in UV-illuminated diffuse cloud fragments of small column density and sub-parsec cloud sizes with area filling factors >> 1. Thus CO arises from quite a different gas component than the classical high density tracers. The dominance of such a diffuse molecular interclump medium also explains observed high [CI}/CO line intensity ratios. PDR models do not allow a determination of the relative abundances of 12CO to 13CO. Ignoring magnetic fields, the CO gas appears to be close to the density limit for tidal disruption. A warm diffuse ISM not only dominates the CO emission in the starburst region of M82 but is also ubiquitous in the central region of our Galaxy, where tidal stress, cloud-cloud collisions, shocks, high gas pressure, and high stellar densities may all contribute to the formation of a highly fragmented molecular debris.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 CO 선 맵핑을 통해 M82의 핵 별성폭발 영역에서 분자기체의 흥(excitation) 및 분포를 규명하기 위해.
• 특히 채움 요소와 클러스터 크기 측면에서, 마이크로미터 영역의 CO 전이에 대한 대규모 속도 기울기(LVG) 모델링에서 발생하는 불일치를 해결하기 위해.
• 표준 LVG 가정 대비, 광자에 의해 영향을 받는 영역(PDRs)이 관측된 CO 선 비율을 더 잘 설명할 수 있는지 확인하기 위해.
• M82의 중심 별성폭발 영역에서 분자기체의 물리적 조건(밀도, 온도, 열역학적 밀도)을 평가하기 위해.
• 높은 12CO/13CO 강도 비율과 [C I]/CO 선 비율을 설명하는 데서 흩트러진 분자기체의 역할을 조사하기 위해.

제안 방법

• HHT와 IRAM 30m 망원경을 사용하여 CO J=1–0, 2–1, 4–3, 7–6 및 13CO J=1–0, 2–1, 3–2 전이를 맵핑하였으며, 각각 13′′–22′′의 해상도를 확보하였다.
• 마이크로미터 영역의 CO 선에 대해 대규모 속도 기울기(LVG) 모델을 적용하여, 열역학적 밀도, 채움 요소 등을 포함한 흥(excitation) 조건을 추정하였다.
• 자외선에 의해 조명된 흩트러진 분자기체에서의 복사 전달을 시뮬레이션하기 위해 PDR 모델을 사용하였으며, 운동 온도, 자외선 플럭스, 밀도 구조를 고려하였다.
• 관측된 12CO/13CO 강도 비율을 모델 예측과 비교하여 클러스터 열역학적 밀도와 채움 요소를 추론하였다.
• 먼저 ~4.7 μm에서의 먼지에 의한 적외선 흥(excitation) 자극 효과를 고려하기 위해 충돌 흥(excitation) 확률과 비교하였다.
• 자기장은 무시하고, tidal 힘에 의한 안정성 평가를 위해 중력 결속 조건을 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 M82의 마이크로미터 영역 CO 전이에 대한 LVG 모델링은 전체 별성폭발 영역을 감싸는 클러스터 크기와 거의 동일한 채움 요소를 도출하는가?
• RQ2 광자에 의해 영향을 받는 영역(PDR) 모델이 LVG 분석의 불일치를 해결하고 관측된 CO 선 비율을 더 잘 설명할 수 있는가?
• RQ3 M82의 별성폭발 핵에서 주요 CO 복사 기여를 하는 분자기체의 물리적 조건(밀도, 온도, 열역학적 밀도)은 무엇인가?
• RQ4 왜 M82에서 12CO/13CO 강도 비율이 10보다 크게 나타나며, 이는 발광 기체의 성격에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ5 M82의 관측된 CO 복사는 밀도 높은 덩어리에 의해 발생하는가, 아니면 흩트러진, 분절된 간섭 영역에 의해 발생하는가?

주요 결과

• 마이크로미터 영역의 CO 선(J=4–3, 7–6)은 약 15′′의 루프 간격을 보이며, 밀리미터 영역의 선(J=2–1, 1–0)은 약 26′′의 간격을 보여, 고에너지 흥과 저에너지 흥 성분이 별개로 존재함을 시사한다.
• LVG 모델링 결과는 일관성이 없으며, 면적 및 부피 채움 요소가 거의 동일하여 전체 별성폭발 영역(~300 pc)과 일치하는 클러스터 크기를 유도한다.
• PDR 모델링은 LVG의 불일치를 해결하며, CO 복사가 부분파섹 크기의 흩트러진, 자외선에 의해 조명된 매질에서 기인하며, 면적 채움 요소가 1보다 훨씬 큰 것을 보여준다.
• M82 별성폭발 영역의 총 분자기체 질량은 약 수 ×10⁸ M☉이며, 22′′ 빔 평균 CO 열역학적 밀도 N(CO) ~5×10¹⁸ cm⁻² 및 H₂ 열역학적 밀도 N(H₂) ~10²³ cm⁻²이다.
• 12CO/13CO 강도 비율이 10보다 크다는 것은, 주로 낮은 열역학적 밀도 기체 조각(N(H₂) ~5×10²⁰ cm⁻² / km s⁻¹)에서 CO 복사가 기인함을 시사하며, 밀도 높은 덩어리가 아니라 흩트러진 기체에서 기인함을 의미한다.
• CO 복사 기체는 간섭 붕괴 밀도 한계에 가까운 상태이며, 고에너지 흥 영역(n(H₂) ~10³.⁷ cm⁻³)과 저에너지 흥 영역(n(H₂) ~10³ cm⁻³)에서 관측되며, 높은 압력과 난류에 의해 안정화되어 있을 가능성이 높다.