[논문 리뷰] Detection of Emission from the CN Radical in the Cloverleaf Quasar at z=2.56

Dominik A. Riechers, Fabian Walter외 5명|ArXiv.org|2007. 05. 23.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 27인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 IRAM Plateau de Bure Interferometer를 사용하여 적성 z=2.56인 Cloverleaf 블랙홀에서 CN(3→2) 방출의 첫 번째 고적성 검출을 보고한다. CN 선은 자외선에 의해 조사되는 광분해영역 내 밀도 높은 분자가스(n(H₂) > 10⁴ cm⁻³)를 추적하며, 관측된 광학선 밝기 비율이 국소의 (초)광도 높은 적외선 은하와 일치하여 CN이 고적성에서 밀도 높고 별 형성 활동이 있는 가스를 신뢰할 만한 추적자로 기능함을 확인한다.

ABSTRACT

We report the detection of CN(N=3-2) emission towards the Cloverleaf quasar (z=2.56) based on observations with the IRAM Plateau de Bure Interferometer. This is the first clear detection of emission from this radical at high redshift. CN emission is a tracer of dense molecular hydrogen gas (n(H2) > 10^4 cm^{-3}) within star-forming molecular clouds, in particular in regions where the clouds are affected by UV radiation. The HCN/CN intensity ratio can be used as a diagnostic for the relative importance of photodissociation regions (PDRs) in a source, and as a sensitive probe of optical depth, the radiation field, and photochemical processes. We derive a lensing-corrected CN(N=3-2) line luminosity of L'(CN(3-2) = (4.5 +/- 0.5) x 10^9 K km/s pc^2. The ratio between CN luminosity and far-infrared luminosity falls within the scatter of the same relationship found for low-z (ultra-) luminous infrared galaxies. Combining our new results with CO(J=3-2) and HCN(J=1-0) measurements from the literature and assuming thermal excitation for all transitions, we find a CO/CN luminosity ratio of 9.3 +/- 1.9 and a HCN/CN luminosity ratio of 0.95 +/- 0.15. However, we find that the CN(N=3-2) line is likely only subthermally excited, implying that those ratios may only provide upper limits for the intrinsic 1-0 line luminosity ratios. We conclude that, in combination with other molecular gas tracers like CO, HCN, and HCO+, CN is an important probe of the physical conditions and chemical composition of dense molecular environments at high redshift.

연구 동기 및 목표

• CO와 HCN 이외의 조건을 통해 고적성 블랙홀에서 CN 방출을 검출하여 밀도 높은 분자가스 환경을 탐색한다.
• 원거리 활성 은하에서 분자가스 화학을 형성하는 데 기여하는 자외선 복사 및 광화학의 역할을 조사한다.
• 광분해영역(PDRs)과 고적성 별 형성 환경에서의 밀도 높은 가스 흥(excitation) 조건을 진단하기 위해 CN의 유용성을 평가한다.
• 고적성 은하 연구에서 진단 능력을 평가하기 위해 CN 밝기 비율을 FIR 및 기타 분자선 밝기와 비교한다.

제안 방법

• 고스펙트럼 해상도로 IRAM Plateau de Bure Interferometer를 사용하여 CN(3→2) 전이를 관측하였다.
• 렌즈 효과 보정된 선 밝기 L′_CN(3-2) = (4.5 ± 0.5) × 10⁹ K km s⁻¹ pc²를 측정하였다.
• 기존의 CO(3→2) 및 HCN(1→0) 밝기 자료를 문헌에서 확보하여 밝기 비율을 계산하였다.
• 열적 평형과 부분 열적 흥(excitation) 가정 조건 하에서 예측된 값과 비교하여 흥 조건을 평가하였다.
• 기체 밀도, 복사장 강도, 광학적 두께를 진단하기 위해 HCN/CN 및 CO/CN 밝기 비율을 사용하였다.
• 고적성 및 국소 은하 샘플의 L′_CN–L_FIR 관계를 그림으로 그려 국소 스케일링 관계와의 일관성을 테스트하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고적성 블랙홀에서 CN(3→2) 방출이 검출 가능한가? 그 존재는 밀도 높은 분자가스 환경에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ2 Cloverleaf에서의 CN, HCN, CO 밝기 비율은 국소 (U)LIRGs와 비교해 어떻게 다른가? 이는 가스 흥 조건과 화학에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 CN(3→2) 선이 얼마나 부분 열적 흥 상태에 있는가? 이는 밝기 비율의 해석에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 국소 은하에서 관측된 CN/FIR 밝기 관계가 Cloverleaf와 같은 고적성 블랙홀로까지 확장되는가?
• RQ5 고적성 별 형성 영역과 AGN 영향을 받는 영역에서 HCN보다 CN이 자외선에 의해 조사된 밀도 높은 가스를 더 특이적으로 추적할 수 있는가?

주요 결과

• Cloverleaf 블랙홀에서 z=2.56에서 CN(3→2) 선이 명확하게 검출되었으며, 이는 이 자유 라디칼의 첫 번째 고적성 검출이다.
• 렌즈 효과 보정된 CN(3→2) 선 밝기는 L′_CN(3-2) = (4.5 ± 0.5) × 10⁹ K km s⁻¹ pc²이다.
• Cloverleaf의 L′_CN–L_FIR 관계는 국소 (초)광도 높은 적외선 은하에서 관측된 것과 산란 범위 내에 위치한다.
• CO/CN 밝기 비율은 9.3 ± 1.9이며, HCN/CN 밝기 비율은 0.95 ± 0.15이다. 그러나 부분 열적 흥 상태로 인해 이 비율들은 상한값일 수 있다.
• CN(3→2) 선은 부분 열적 흥 상태일 가능성이 높으며, 이는 열적 평형을 가정할 경우 1→0 밝기 비율이 과대평가됨을 시사한다.
• 관측된 CN 방출은 자외선에 의해 조사되는 광분해영역 내 밀도 높은 분자가스를 추적하는 데 일치하며, 이는 고적성 은하에서 별 형성 조건을 민감하게 탐지할 수 있는 CN의 잠재력을 뒷받침한다.