[論文レビュー] The molecular gas reservoir of 6 low-metallicity galaxies from the Herschel Dwarf Galaxy Survey: A ground-based follow-up survey of CO(1-0), CO(2-1), and CO(3-2)

D. Cormier, S. C. Madden+15 more|Chalmers Publication Library (Chalmers University of Technology)|Jan 2, 2014

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ひとこと要約

本研究は、地上望遠鏡を用いたCO(1-0)、CO(2-1)、CO(3-2)観測と、Herschel/PACS [C ii]および[O i]データを組み合わせることで、6つの低金属量矮星銀河における分子ガス蓄えを調査した。低CO輝度と高い[C ii]/CO比（7,000以上）にもかかわらず、全ガスを考慮すると、銀河はシュミット＝ケニクチュ関係と整合的であり、金属量スケーリングを適用したX_CO要因であっても分子ガスの消耗 timescale が短いことが示され、効率的な星形成が非分子ガス相に起因している可能性を示唆している。

ABSTRACT

We aim to quantify the molecular gas reservoir in a subset of 6 low-metallicity galaxies from the Herschel Dwarf Galaxy Survey with newly acquired CO data, and link this reservoir to the observed star formation activity. We present CO(1-0), CO(2-1), and CO(3-2) observations obtained at the ATNF Mopra 22-m, APEX, and IRAM 30-m telescopes, as well as [CII] 157um and [OI] 63um observations obtained with the Herschel/PACS spectrometer in the 6 galaxies: Haro11, Mrk1089, Mrk930, NGC4861, NGC625, and UM311. We derive molecular gas mass from several methods including the use of the CO-to-H2 conversion factor Xco (both Galactic and metallicity-scaled values) and of dust measurements. The molecular and atomic gas reservoirs are compared to the star formation activity. We also constrain the physical conditions of the molecular clouds using the non-LTE code RADEX and the spectral synthesis code Cloudy. We detect CO in 5 of the 6 galaxies, including first detections in Haro11 (Z~0.4 Zsun), Mrk930 (0.2 Zsun), and UM311 (0.5 Zsun), but CO remains undetected in NGC4861 (0.2 Zsun). The CO luminosities are low while [CII] is bright in these galaxies, resulting in [CII]/CO(1-0)>10000. Our dwarf galaxies are in relatively good agreement with the Schmidt-Kennicutt relation for total gas. They show short molecular depletion time scales, even when considering metallicity-scaled Xco factors. Those galaxies are dominated by their HI gas, except Haro11 which has high star formation efficiency and is dominated by ionized and molecular gas. We determine the mass of each ISM phase in Haro11 using Cloudy and estimate an equivalent Xco factor which is 10 times higher than the Galactic value. Overall, our results confirm the emerging picture that CO suffers from significant selective photodissociation in low-metallicity dwarf galaxies.

研究の動機と目的

• Herschel Dwarf Galaxy Surveyに含まれる6つの低金属量矮星銀河における分子ガス蓄えを定量化すること。
• 低金属量環境における活発な星形成と弱いCO放射の間にある矛盾を解明すること。
• 低CO輝度にもかかわらず、これらの銀河における分子ガスの消耗 timescale が短いかどうかを評価すること。
• 分子、原子、イオン化ガス相が、低金属量矮星銀河における星形成をどのように制御しているかを評価すること。
• 標準的なX_CO変換要因の妥当性と、粉塵法や放射輸送モデル（RADEXおよびCloudy）を用いた代替手法が、分子質量推定にどの程度有効かを検証すること。

提案手法

• Mopra、APEX、IRAM 30-m望遠鏡を用いてCO(1-0)、CO(2-1)、CO(3-2)ライン観測を実施した。
• Herschel/PACSを用いた[C ii] 157 μmおよび[O i] 63 μmの微細構造ライン分光観測と併用した。
• 銀河内での分子ガス質量を、銀河系X_CO要因と金属量スケーリングを適用したX_CO要因、粉塵ベースの手法、およびRADEXとCloudyを用いた放射輸送モデリングにより推定した。
• 星形成速度と分子ガス・原子ガス質量を比較し、シュミット＝ケニクチュ関係への整合性を評価した。
• RADEXおよびCloudyを用いて、分子雲内の密度、温度、占有率などの物理的状態を制約した。
• 望遠鏡のビームサイズの違いを考慮し、ビーム拡散および源サイズの不確実性を補正した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ低金属量矮星銀河は、CO放射が弱くても活発な星形成を示すのか？
• RQ2 標準的なX_CO要因が不適切な場合、これらの銀河における真の分子ガス質量は何か？
• RQ3 [C ii]/CO輝度比は、低金属量環境における物理的状態およびガス加熱効率をどのように反映しているのか？
• RQ4 原子ガスおよびイオン化ガス相が、これらの銀河における星形成にどの程度寄与しているのか？
• RQ5 低金属量矮星銀河における分子ガスの消耗 timescale は、高金属量スパイラル銀河と異なるのか？

主な発見

• COは6つの銀河のうち5つで検出され、Haro 11（Z ≈ 0.4 Z⊙）、Mrk 930（Z ≈ 0.2 Z⊙）、UM 311（Z ≈ 0.5 Z⊙）では初回検出が確認された。一方、NGC 4861（Z ≈ 0.2 Z⊙）は未検出のままであった。
• 検出されたすべての銀河で、[C ii]/CO(1-0)輝度比が7,000を超えており、CO放射発生領域の占有率が低く、[C ii]の加熱効率が高いことを示している。
• 分子ガス質量は推定手法によって顕著に異なる。銀河系X_CO要因では不切実に低い質量が予想されたが、金属量スケーリングX_CO、粉塵ベース推定、放射輸送モデリングにより得られた値は、不確実性が数倍程度の範囲で一貫性を示した。
• 低分子ガス分率にもかかわらず、NGC 4861を含むすべての銀河が、全ガスを考慮したシュミット＝ケニクチュ関係と整合的であり、星形成が全ガス貯留量によって制御されていることを示している。
• 金属量スケーリングX_CO要因を用いても、分子ガスの消耗 timescale は短く、星形成効率が向上しているか、または原子・イオン化ガス相からの寄与が顕著である可能性を示唆している。
• 星形成効率が高く、イオン化ガスおよび分子ガスが支配的なHaro 11では、推定されたX_CO要因が銀河系値の10倍に達しており、分子雲内の極端な光分解または構造的差異がある可能性を示している。