[논문 리뷰] Molecules at z=0.89: A 4-mm-rest-frame absorption line survey toward PKS 1830-211

S. Müller, A. Beelen외 7명|Chalmers Publication Library (Chalmers University of Technology)|2011. 04. 18.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 128인용 수 76

한 줄 요약

이 연구는 호주 전파간섭계를 사용하여 제자리에 있는 0.89의 적성 z를 가진 은하계에 대해 처음으로 편향 없는 7 mm 스펙트럼 조사 결과를 제시한다. 이는 28개의 분자 종류와 8개의 이소토프올로그를 남서쪽 흡수 성분에서 검출하였으며, 은하계 내부의 분자 농도가 은하계의 희박한 구름과 반투명한 구름 사이의 중간 수준임을 밝혀내었고, z=0.89에서 양성자-전자 질량비의 변화 가능성을 엄격한 상한선 |Δμ/μ| < 4×10⁻⁶으로 제한하였다.

ABSTRACT

We present the results of a 7 mm spectral survey of molecular absorption lines originating in the disk of a z=0.89 spiral galaxy located in front of the quasar PKS 1830-211. [...] A total of 28 different species, plus 8 isotopic variants, were detected toward the south-west absorption region, located about 2 kpc from the center of the z=0.89 galaxy, which therefore has the largest number of detected molecular species of any extragalactic object so far. The results of our rotation diagram analysis show that the rotation temperatures are close to the cosmic microwave background temperature of 5.14 K that we expect to measure at z=0.89, whereas the kinetic temperature is one order of magnitude higher, indicating that the gas is subthermally excited. The molecular fractional abundances are found to be in-between those in typical Galactic diffuse and translucent clouds, and clearly deviate from those observed in the dark cloud TMC 1 or in the Galactic center giant molecular cloud Sgr B2. The isotopic ratios of carbon, nitrogen, oxygen, and silicon deviate significantly from the solar values, which can be linked to the young age of the z=0.89 galaxy and a release of nucleosynthesis products dominated by massive stars. [...] We also report the discovery of several new absorption components, with velocities spanning between -300 and +170 km/s. Finally, the line centroids of several species (e.g., CH3OH, NH3) are found to be significantly offset from the average velocity. If caused by a variation in the proton-to-electron mass ratio mu with redshift, these offsets yield an upper limit |Delta_mu/mu|&lt;4e-6, which takes into account the kinematical noise produced by the velocity dispersion measured from a large number of molecular species.

연구 동기 및 목표

• z=0.89에서 고적성 은하계의 편향 없는 스펙트럼 조사를 수행하기 위해.
• 분자 전이를 이용해 z=0.89에서의 간섭계 온도를 측정하기 위해.
• 멀리 떨어진 나선형 은하계의 간성간 매질의 화학 조성과 물리 조건을 조사하기 위해.
• 특히 높은 적성에서의 양성자-전자 질량비(μ)의 변화 가능성을 테스트하기 위해.
• 은하계의 분자 농도와 이소토프비율을 은하계와 다른 고적성 천체들과 비교하여 화학 진화를 추적하기 위해.

제안 방법

• 30–50 GHz 범위의 7 mm 스펙트럼 조사를 수행하여, 이는 고정된 주파수 범위 57–94 GHz에 해당한다.
• 중력 빛의 밝은 전파 연속 스펙트럼을 가진 은하계 PKS 1830−211을 배경원으로 사용하여, 중간에 있는 z=0.89 은하계의 분자 흡수를 탐사하였다.
• 검출된 전이로부터 회전 온도와 분자 농도를 유도하기 위해 회전도 분석을 적용하였다.
• 실험 온도와 농도 추정치를 사용하여 운동 온도와 분자 분율 농도를 계산하였다.
• 다양한 분자 종류의 속도 중심을 분석하여 운동학적 오프셋을 평가하고, 양성자-전자 질량비(μ)의 변화 가능성을 제약하였다.
• μ-변화 상한선의 노이즈를 고려하기 위해 다수의 분자 종류를 대규모 샘플로 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z=0.89 나선형 은하계의 간성간 매질에 존재하는 분자 종류의 전체 목록은 무엇인가?
• RQ2 z=0.89에서 흡수되는 분자 기체의 물리 조건(온도, 밀도, 자극)은 어떠한가?
• RQ3 이 고적성 은하계의 분자 농도와 이소토프비율은 은하계와 다른 외성간 천체들과 비교하여 어떻게 다른가?
• RQ4 관측된 분자 선의 속도 중심은 z=0.89에서의 양성자-전자 질량비(μ) 변화 가능성을 제약하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ5 남서쪽과 북동쪽 흡수 성분의 결과는 어떻게 다르며, 이러한 차이는 흡수 기체의 구조와 화학에 대해 무엇을 드러내는가?

주요 결과

• 남서쪽 흡수 성분에서 총 28개의 분자 종류와 8개의 이소토프올로그가 검출되었으며, 이는 지금까지 외성간 천체에서 관측된 가장 큰 분자 목록이다.
• 흡수 기체의 회전 온도는 z=0.89에서 예상되는 간섭계 온도 5.14 K와 일치하여, 기체가 CMB와 열적 평형 상태에 있음을 확인하였다.
• 운동 온도는 회전 온도보다 약 10배 높게 추정되었으며, 이는 분자 기체의 부분 열적 자극 상태임을 나타낸다.
• 남서쪽 성분의 분자 분율 농도는 은하계의 희박한 구름과 반투명한 구름 사이의 중간 수준이며, TMC-1이나 Sgr B2와는 유의미하게 다르다.
• 탄소, 질소, 산소, 실리콘의 이소토프비율은 태양값에서 벗어나 있으며, 이는 z=0.89 은하계의 나이가 작고, 대량의 별들이 주로 핵합성 물질을 형성했기 때문일 것이다.
• 다양한 종류의 분자에 의한 속도 분산을 고려하여, z=0.89에서의 양성자-전자 질량비 변화 가능성에 대해 보수적인 상한선 |Δμ/μ| < 4×10⁻⁶을 도출하였다.