[论文解读] 13CO(J=1-0) Depression in Luminous Starburst Mergers, Revisited

Yoshiaki Taniguchi, Youichi Ohyama+1 more|ArXiv.org|Apr 6, 1999

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 22被引用 18

一句话总结

本研究调查了明亮星暴并合星系中12CO(1–0)/13CO(1–0)谱线强度比（R1-0 > 20）升高的原因，检验了激发或光学厚度效应是否而非同位素丰度差异导致13CO发射减弱。通过使用更高J阶的CO跃迁（J=2–1），作者发现13CO(2–1)相对于12CO(2–1)同样被抑制，表明同位素丰度不足是最可能的解释，尽管超星风引起的气体扰动也无法排除。

ABSTRACT

It is known that merging galaxies with luminous starbursts and high far-infrared luminosities tend to have higher $R_{1-0} =^{12}CO(J=1-0)/^{13}CO(J=1-0)$ integrated line intensity ratios ($R_{1-0} \simeq 20-50$) than normal spiral galaxies ($R_{1-0} \simeq 5-15$). Comparing far-infrared luminosities [L(FIR)] with those of ^{12}CO(J=1-0) and ^{13}CO(J=1-0) for a sample of normal and starburst galaxies, Taniguchi & Ohyama found that the observed high $R_{1-0}$ values for the luminous starburst mergers are attributed to their lower ^{13}CO line intensities by a factor of 3 on the average. They suggested the following two possibilities; in the luminous starburst mergers, 1) ^{13}CO is underabundant with respect to ^{12}CO, or 2) exitation and/or optical depth effects are responsible for the change in $R_{1-0}$. In this paper, we investigate the second possibility using higher transition data of both ^{12}CO and ^{13}CO emission lines. Applying the same method proposed by Taniguchi & Ohyama to both ^{12}CO(J=2-1) and ^{13}CO(J=2-1), we find that ^{13}CO(J=2-1) is also depressed with respect to ^{12}CO(J=2-1). This suggests that the ^{13}CO gas may be underabundant in the high-$R_{1-0}$ starburst mergers although we cannot rule out the possibility that excitation and optical depth effects are still affecting $R_{2-1}$, for example due to the large velocity widths in the CO emission lines. Additional observations of both ^{12}CO and ^{13}CO lines at $J \geq 3$ are required to better constrain the conditions of the molecular gas in luminous starburst galaxies.

研究动机与目标

• 确定明亮星暴并合星系中12CO(1–0)/13CO(1–0)谱线强度比（R1-0 > 20）是否由激发或光学厚度效应引起，而非同位素丰度差异。
• 检验13CO发射在高R1-0系统中被抑制的假设，通过分析更高跃迁的CO谱线（J=2–1）。
• 评估星暴星系中12CO与13CO的激发条件是否存在显著差异，特别是与尘埃温度和恒星形成效率的关系。
• 基于形态学和光谱学证据，评估超星风在破坏致密气体云并减少13CO发射中的作用。
• 确定未来高J阶CO谱线观测（J ≥ 3）的必要性，以解决13CO减弱的物理成因。

提出的方法

• 从文献来源（Aalto et al. 1995；Casoli et al. 1992b）汇编了24个星系样本的12CO(2–1)和13CO(2–1)积分谱线强度，包括明亮星暴并合星系。
• 计算12CO(2–1)/13CO(2–1)谱线强度比（R2-1），并与R1-0比较，以评估不同跃迁中13CO减弱的一致性。
• 使用校正后的投物温度和波束效率计算CO光度（L(CO)），并基于IRAS 60和100 μm通量计算FIR光度（L(FIR)）。
• 将R2-1和R1-0与尘埃温度代理（S(60)/S(100)）及恒星形成效率（L(FIR)/L(CO)）相关联，以检验物理趋势。
• 分析L(12CO J=2–1)/L(12CO J=1–0)和L(13CO J=2–1)/L(13CO J=1–0)的比值，以评估同位素体之间的激发差异。
• 通过交叉参照已知具有喷流形态学和光谱学证据的高R1-0星系，评估超星风的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 明亮星暴并合星系中观测到的13CO(1–0)减弱是由激发或光学厚度效应引起，还是由同位素丰度不足导致？
• RQ2 在高R1-0星系中，13CO(2–1)谱线是否也相对于12CO(2–1)表现出抑制，表明不同跃迁间存在一致的物理机制？
• RQ3 R1-0与R2-1是否与尘埃温度（S(60)/S(100)）相关，表明与气体动能温度存在关联？
• RQ4 高R1-0星系与正常星系相比，L(12CO J=2–1)/L(12CO J=1–0)和L(13CO J=2–1)/L(13CO J=1–0)的激发比是否存在显著差异？
• RQ5 超星风活动是否可通过破坏致密气体云来解释观测到的13CO减弱？

主要发现

• 在明亮星暴并合星系中，12CO(2–1)/13CO(2–1)谱线强度比（R2-1）同样较高，通常超过20，表明在J=1–0和J=2–1跃迁中13CO减弱具有一致性。
• 高R1-0星系中L(13CO J=2–1)/L(13CO J=1–0)的平均比值为1.15 ± 0.71，表明13CO在J=1–0与J=2–1之间无显著激发差异，这反驳了激发效应为主要原因的可能性。
• 未发现R1-0或R2-1与L(FIR)/L(CO)比值之间存在显著相关性，表明恒星形成效率不能直接解释高R值。
• R1-0与R2-1均表现出随尘埃温度（S(60)/S(100)）升高而增加的趋势，尽管无紧密相关性，表明与气体动能温度可能存在但非直接的关联。
• M82核区的13CO(3–2)/12CO(3–2)比值与高R3-2一致，但由于 beam 不匹配，该结果不可靠；需要进一步的高J阶CO数据。
• 作者得出结论：13CO同位素丰度不足是最可能的解释，尽管超星风引起的致密气体云破坏仍是可行的备选解释，需通过更高J阶CO观测加以确认。