[논문 리뷰] Internal structure of spiral arms traced with [CII]: Unraveling the WIM, HI, and molecular emission lanes

T. Velusamy, W. D. Langer외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 13.

Inorganic Fluorides and Related Compounds인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 허셜/HIFI의 고해상도 [C II] 1.9 THz 복사맵을 사용하여 은하수의 spiral arm 내부 구조를 추적하며, 압축된 따뜻한 이온가스(비등성가스, WIM), H I, 및 분자가스에 대해 별개의 복사 띠를 밝혀낸다. 연구는 spiral arm의 내측 가장자리에서 충격압축된 [C II] 피크를 규명하였으며, 이는 분자 PDR과는 다름없이 spiral density wave 압축의 직접적인 운동학적 증거를 제공한다. WIM 전자 밀도는 약 0.5 cm⁻³로, 일반적인 디스크 값보다 약 10배 높다.

ABSTRACT

The spiral arm tangencies are ideal lines of sight in which to determine the distribution of interstellar gas components in the spiral arms and study the influence of spiral density waves on the interarm gas in the Milky Way. We present a large scale (~15deg) position-velocity map of the Galactic plane in [CII] from l = 326.6 to 341.4deg observed with Herschel HIFI. We use [CII] l-v maps along with those for Hi and 12CO to derive the average spectral line intensity profiles over the longitudinal range of each tangency. Using the VLSR of the emission features, we locate the [CII], HI, and 12CO emissions along a cross cut of the spiral arm. In the spectral line profiles at the tangencies [CII] has two emission peaks, one associated with the compressed WIM and the other the molecular gas PDRs. When represented as a cut across the inner to outer edge of the spiral arm, the [CII]-WIM peak appears closest to the inner edge while 12CO and [CII] associated with molecular gas are at the outermost edge. HI has broader emission with an intermediate peak located nearer to that of 12CO. The velocity resolved spectral line data of the spiral arm tangencies unravel the internal structure in the arms locating the emission lanes within them. We interpret the excess [CII] near the tangent velocities as shock compression of the WIM induced by the spiral density waves and as the innermost edge of spiral arms. For the Norma and Perseus arms, we estimate widths of ~250 pc in [CII]-WIM and ~400 pc in 12CO and overall spiral arm widths of ~500 pc in [CII] and 12CO emissions. The electron densities in the WIM are ~ 0.5 cm^-3, about an order of magnitude higher than the average for the disk. The enhanced electron density in the WIM is a result of compression of the WIM by the spiral density wave potential.

연구 동기 및 목표

• 속도 해상도를 갖춘 [C II], H I, 및 12 CO 복사선 프로파일을 이용하여 은하수 spiral arm의 내부 구조를 규명하는 것.
• WIM, H I, 및 분자가스 등의 다양한 가스 성분이 spiral arm 가장자리에 비해 공간적으로 어떻게 분포되어 있는지 규명하는 것.
• spiral arm 내에서 [C II] 복사가 따뜻한 이온가스(WIM)와 광자도래영역(PDRs)을 어떻게 구별할 수 있는지 시험하는 것.
• spiral density wave에 의한 WIM의 압축 정도와 그 폭을 정량화하는 것.
• 특히 탄젠트 라인 외부에서 WIM 성분이 어떻게 탐지 가능한지 평가하는 것.

제안 방법

• 은하수 천체론적 경도 l = 326.6°–341.4° 및 l = 304.9°–305.9° 범위에서 허셜/HIFI의 On-The-Fly(OTF) 맵핑을 통해 [C II], H I, 및 12 CO 스펙트럼선 맵을 확보한 바.
• 크루스, 노르마, 페르세우스 탄젠트 지역에서 스펙트럼선 강도 프로파일을 평균화하여 복사 특징을 추출한 바.
• 지역별 속도(V LSR)를 사용하여 spiral arm 횡단면의 복사 피크를 맵핑하고, 내측 및 외측 가장자리에 대한 위치를 식별한 바.
• 속도 공간에서 운동학적 분리에 의해 [C II]–WIM 성분과 분자 PDR 복사 방출을 구별한 바.
• [C II] 강도를 이용해 복사전달 모델링을 적용하여, 압축된 WIM 내 전자 밀도를 추정한 바.
• spiral arm 폭을 [C II]–WIM 및 12 CO 복사선 프로파일의 반력점 사이의 거리로 정의한 바.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압축된 WIM, H I, 및 분자가스의 복사 피크는 spiral arm의 내측 및 외측 가장자리에 비해 어디에 위치하는가?
• RQ2 [C II] 복사만으로 spiral arm 내에서 WIM과 분자가스 PDR을 구별할 수 있는가?
• RQ3 spiral density wave에 의한 WIM의 압축 범위는 얼마이며, H I 및 분자가스 띠의 폭과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ4 왜 WIM 성분은 탄젠트에서만 탐지 가능하며, 다른 선형 시야에서는 어떤 요소가 탐지에 제한을 둔다?
• RQ5 압축된 WIM 내 전자 밀도는 일반적인 디스크 값과 비교해 어떻게 되며, 이는 압축 메커니즘에 대해 어떤 시사점을 제공하는가?

주요 결과

• [C II] 복사에서 탄젠트 속도를 초월하는 극단적인 속도에서, 충격압축된 WIM 성분이 관측되며, 이는 12 CO 피크에서 약 200 pc 내측에 위치해 spiral arm의 내측 가장자리를 나타낸다.
• WIM 성분은 탄젠트 속도보다 약 9 km s⁻¹ 더 높은 지역 속도에서 나타나며, 이는 은하중심에 가장 가까운 지점에 해당한다.
• 압축된 WIM 내 전자 밀도는 약 0.5 cm⁻³이며, 일반적인 디스크 값보다 약 10배 높아, spiral density wave에 의한 강한 압축을 시사한다.
• spiral arm 폭은 [C II] 및 12 CO 기준 약 500 pc로 추정되며, 노르마 및 페르세우스 은하수에서 [C II]–WIM 폭은 약 250 pc, 12 CO 폭은 약 400 pc이다.
• H I 복사의 프로파일은 더 넓은 폭을 가지며 중간 피크를 가지며, [C II]–WIM 피크보다 12 CO 피크에 더 가까이 위치해 있어 다른 공간 분포를 나타낸다.
• 탄젠트 외부에서는 경로 길이가 부족하고 속도가 겹쳐져 [C II]–WIM 성분을 탐지하기 어려운데도 불구하고, 전체 [C II] 루미노사티비티에 기여할 가능성이 크다.