[论文解读] Dense gas in nearby galaxies: XV. Hot ammonia in NGC253, Maffei2 and IC342

R. Mauersberger, C. Henkel+3 more|ArXiv.org|Mar 12, 2003

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 49被引用 38

一句话总结

本研究在NGC 253、Maffei 2和IC 342的中心区域检测到高达(J,K) = (9,9)跃迁的高激发氨（NH₃）反转谱线，揭示了动能温度为100–140 K、在IC 342中甚至超过400 K的温暖分子气体组分。研究结果表明，NH₃的全局丰度约为10⁻⁸，温暖相的丰度约为10⁻⁷，与致密屏蔽气体中由激波驱动的化学反应和尘埃冰壳蒸发一致；而M 82中未检测到温暖NH₃，表明其主导机制为光致离解区（PDR）加热并破坏复杂分子。

ABSTRACT

The detection of NH3 inversion lines up to the (J,K)=(6,6) level is reported toward the central regions of the nearby galaxies NGC253, Maffei2, and IC342. The observed lines are up to 406K (for (J,K)=(6,6)) and 848K (for the (9,9) transition) above the ground state and reveal a warm (T_kin= 100 - 140 K) molecular component toward all galaxies studied. The tentatively detected (J,K)=(9,9) line is evidence for an even warmer (>400K) component toward IC342. Toward NGC253, IC342 and Maffei2 the global beam averaged NH3 abundances are 1-2 10^-8, while the abundance relative to warm H2 is around 10^-7. The temperatures and NH3 abundances are similar to values found for the Galactic central region. C-shocks produced in cloud-cloud collisions can explain kinetic temperatures and chemical abundances. In the central region of M82, however, the NH3 emitting gas component is comparatively cool (~ 30K). It must be dense (to provide sufficient NH3 excitation) and well shielded from dissociating photons and comprises only a small fraction of the molecular gas mass in M82. An important molecular component, which is warm and tenuous and characterized by a low ammonia abundance, can be seen mainly in CO. Photon dominated regions (PDRs) can explain both the high fraction of warm H_2 in M82 and the observed chemical abundances.

研究动机与目标

• 利用高J氨跃迁探测附近星暴星系中心区域中温暖致密分子气体的存在及其物理条件。
• 确定NGC 253、Maffei 2、IC 342和M 82中分子气体的动能温度、NH₃丰度及激发条件。
• 将这些星系的化学与热性质与银河系中心进行比较，理解河外核区主导的加热与化学机制。
• 评估C-激波与光子主导区（PDRs）在塑造不同星系核区观测到的NH₃发射及丰度变化中的作用。

提出的方法

• 利用亚毫米波望远镜（包括IRAM 30米望远镜、100米Effelsberg望远镜和SMA）观测多个高J NH₃反转跃迁（最高至(J,K) = (9,9)）。
• 通过能级布居比分析推导动能温度，假设NH₃处于局部热动平衡（LTE），并进行光学厚度与 beam 稀释的修正。
• 利用观测到的谱线强度及CO和CS数据提供的H₂柱密度约束，估算相对于H₂的全局束平均NH₃丰度。
• 将观测到的NH₃激发与丰度模式与C-激波和PDR的理论模型进行比较，推断主导的加热与化学过程。
• 利用多能级CS谱线研究估算核区H₂密度（~10⁴ cm⁻³），为NH₃激发条件提供背景信息。
• 整合档案CO与HCO⁺数据，评估M 82中分子气体的相对丰度与激发状态，与其它星系进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 NGC 253、Maffei 2和IC 342中心区域中，高J NH₃跃迁所追踪的致密分子气体的动能温度是多少？
• RQ2 这些星系中相对于H₂的全局束平均NH₃丰度是多少？与银河系中心相比如何？
• RQ3 尽管存在温暖分子气体，为何在M 82中未检测到温暖氨？其物理机制是什么？
• RQ4 C-激波或PDR在多大程度上能解释这些星暴星系中观测到的NH₃激发、丰度与温度梯度？
• RQ5 这些星系中NH₃发射气体的物理条件（密度、温度、遮蔽）与银河系中心相比如何？

主要发现

• 检测到高达(J,K) = (6,6)跃迁的高激发NH₃谱线，其亮度温度在基态之上达到406 K，表明NGC 253、Maffei 2和IC 342中致密气体组分的动能温度为100–140 K。
• 在IC 342中对(J,K) = (9,9)跃迁的初步检测表明存在一个温度超过400 K的更热气体组分。
• NGC 253、Maffei 2和IC 342中相对于H₂的全局束平均NH₃丰度约为(3.3–5.7) × 10⁻⁸，其中温暖相的丰度估计为~10⁻⁷，与银河系中心的数值相似。
• 相比之下，M 82中温暖相的NH₃丰度低了逾一个数量级，表明尽管存在温暖H₂，但未检测到可探测的温暖NH₃。
• 观测到的NH₃激发与丰度模式与云-云碰撞产生的C-激波作为加热并释放尘埃冰壳中NH₃的机制一致。
• M 82中缺乏温暖NH₃最合理的解释是PDR主导的加热机制：强烈的紫外辐射导致NH₃及其他复杂分子离解，而CS与HCO⁺丰度因适度遮蔽与电离化学仍保持增强。