[论文解读] A Herschel [CII] Galactic plane survey I: the global distribution of ISM gas components

J. L. Pineda, W. D. Langer+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2013

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 78被引用 140

一句话总结

本研究利用赫歇尔/HIFI仪器首次获得了银河系平面的[ C II ] 158 μm发射的逐速度经度-速度图，实现了对星际介质（ISM）组分的分离。结果表明，47%的[ C II ]发射来自致密光子主导区（PDRs），其中CO暗H₂贡献了银河系30%的分子质量，并随银心距离的增加而逐渐占据主导地位。

ABSTRACT

[Abridged] The [CII] 158um line is an important tool for understanding the life cycle of interstellar matter. Ionized carbon is present in a variety of phases of the interstellar medium, including the diffuse ionized medium, warm and cold atomic clouds, clouds in transition from atomic to molecular, and dense and warm photon dominated regions (PDRs). The Galactic Observations of Terahertz C+ (GOTC+) project surveys the [CII] line over the entire Galactic disk with velocity-resolved observations using the Herschel/HIFI instrument. We present the first longitude-velocity maps of the [CII] emission for Galactic latitudes b=0deg, +-0.5deg, and +-1.0deg. [CII] emission is mostly associated with spiral arms, mainly emerging from Galactocentric distances between 4 and 10 kpc. We estimate that most of the observed [CII] emission is produced by dense PDRs (47%), with smaller contributions from CO-dark H2 gas (28%), cold atomic gas (21%), and ionized gas (4%). Atomic gas inside the Solar radius is mostly in the form of cold neutral medium (CNM), while the warm neutral medium (WNM) gas dominates the outer galaxy. The average fraction of CNM relative to total atomic gas is 43%. We find that the warm and diffuse CO-dark H2 is distributed over a larger range of Galactocentric distances (4-11 kpc) than the cold and dense H2 gas traced by 12CO and 13CO (4-8kpc). The fraction of CO-dark H2 to total H2 increases with Galactocentric distance, ranging from 20% at 4 kpc to 80% at 10 kpc. On average, CO-dark H2 accounts for 30% of the molecular mass of the Milky Way. When the CO-dark H2 component is included, the radial distribution of the CO-to-H2 conversion factor is steeper than that when only molecular gas traced by CO is considered. Most of the observed [CII] emission emerging from dense PDRs is associated with modest far-ultraviolet fields in the range chi0~1-30.

研究动机与目标

• 利用银河系平面上逐速度的[ C II ] 158 μm发射，绘制星际气体组分的全球分布图。
• 通过视线方向分离电离气体、冷/暖中性原子气体、CO暗H₂和分子气体等不同ISM相的贡献。
• 量化CO暗H₂的径向分布及其对CO-H₂转换因子的影响。
• 利用观测到的线强度比，估算[ C II ]和CO所追踪区域的远紫外辐射场强度（χ₀）。
• 通过在总H₂预算中纳入CO暗H₂，提高分子气体质量估算的准确性。

提出的方法

• 利用赫歇尔/HIFI仪器，在银河系纬度b = 0°、±0.5°和±1.0°处获取了[ C II ] 158 μm发射的逐速度地图。
• 将[ C II ]数据与H i 21 cm、12 CO和13 CO谱线数据结合，通过速度和空间分解方法分离ISM组分。
• 利用[ C II ]/12 CO强度比估算致密PDRs中的远紫外辐射场（χ₀），并与PDR模型预测结果进行比较。
• 应用多组分分解方法，分离冷中性介质（CNM）、暖中性介质（WNM）和CO暗H₂的贡献。
• 在包含和不包含CO暗H₂的情况下分别计算CO-H₂转换因子（X_CO），以评估其径向依赖性。
• 使用PDR模型（Kaufman et al. 1999）将观测到的[ C II ]/12 CO比值解释为H₂体积密度和χ₀的函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 [ C II ]发射在银河系平面上的空间和速度分布如何？它如何追踪不同的ISM组分？
• RQ2 总[ C II ]发射中，有多少比例来自致密PDRs、CO暗H₂、冷原子气体和电离气体？
• RQ3 CO暗H₂的分布如何随银心距离变化？它占银河系总分子质量的多大比例？
• RQ4 将CO暗H₂纳入考虑后，对CO-H₂转换因子的径向趋势有何影响？
• RQ5 致密PDRs中[ C II ]发射所关联的典型远紫外辐射场（χ₀）是多少？

主要发现

• 大部分[ C II ]发射（47%）来自致密光子主导区（PDRs），CO暗H₂贡献显著（28%），冷原子气体贡献21%，电离气体贡献4%。
• CO暗H₂约占银河系总分子气体质量的30%，其占比随银心距离增加而上升：在4 kpc处约为20%，在10 kpc处上升至约80%。
• 温暖且弥散的CO暗H₂在径向范围（4–11 kpc）上延伸更广，而冷且致密的H₂（由12 CO和13 CO追踪）仅分布在4–8 kpc范围内。
• CO-H₂转换因子随银心距离增加而上升，当纳入CO暗H₂后，其斜率变得更陡，反映出金属丰度和热压力梯度的共同影响。
• [ C II ]/12 CO比值表明，大多数来自致密PDRs的[ C II ]发射产生于中等强度的远紫外场环境，χ₀ ≈ 1–30，且与银心距离无关。
• 在太阳半径以内（R < 8 kpc），冷中性介质（CNM）主导原子气体（占总原子气体的43%），而在银道外侧，暖中性介质（WNM）占主导地位。