[论文解读] A Herschel [CII] Galactic plane survey III: [CII] as a tracer of star formation

J. L. Pineda, W. D. Langer+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2014

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 84被引用 52

一句话总结

本研究在六個數量級的範圍內，從銀河系內的本地雲氣到遙遠星系，確立了 [C II] 亮度與恆星形成率（SFR）之間的普遍比例關係。利用速度解析的赫歇爾 [C II] 數據，研究顯示僅當多種星際介質（ISM）相態——致密光譜線區（PDRs）、冷 H I、CO 暗 H₂ 及電離氣體——的綜合發射被考慮時，才能重現河外星系中觀測到的 SFR-[C II] 傾角，且每一相態對總 [C II] 亮度的貢獻約為 20–30%。

ABSTRACT

We study the relationship between the [CII] emission and the star formation rate (SFR) in the Galactic plane and separate the relationship of different ISM phases to the SFR. We compare these relationships to those in external galaxies and local clouds, allowing examinations of these relationships over a wide range of physical scales. We compare the distribution of the [CII] emission, with its different contributing ISM phases, as a function of Galactocentric distance with the SFR derived from radio continuum observations. We also compare the SFR with the surface density distribution of atomic and molecular gas, including the CO-dark H2 component. The [CII] and SFR are well correlated at Galactic scales with a relationship that is in general agreement with that found for external galaxies. By combining [CII] and SFR data points in the Galactic plane with those in external galaxies and nearby star forming regions, we find that a single scaling relationship between the [CII] luminosity and SFR applies over six orders of magnitude. The [CII] emission from different ISM phases are each correlated with the SFR, but only the combined emission shows a slope that is consistent with extragalactic observations. These ISM components have roughly comparable contributions to the Galactic [CII] luminosity: dense PDRs (30%), cold HI (25%), CO-dark H2 (25%), and ionized gas (20%). The SFR-gas surface density relationship shows a steeper slope compared to that observed in galaxies, but one that it is consistent with those seen in nearby clouds. The different slope is a result of the use of a constant CO-to-H2 conversion factor in the extragalactic studies, which in turn is related to the assumption of constant metallicity in galaxies. We find a linear correlation between the SFR surface density and that of the dense molecular gas.

研究动机与目标

• 釐清銀河系銀河平面中 [C II] 辐射與恆星形成之間的關係。
• 區分不同星際介質（ISM）相態對 [C II] 亮度的貢獻，並探討其與 SFR 的相關性。
• 將銀河系的 [C II]-SFR 關係與河外星系及附近恆星形成雲氣的關係進行比較。
• 研究金屬豐度與 CO-to-H₂ 轉換因子對觀測到的 SFR-氣體面密度關係的影響。
• 確定銀河系中致密分子氣體面密度是否與 SFR 呈線性相關，如同在本地雲氣中所見。

提出的方法

• 利用赫歇爾 GOT C+ 調查的銀河平面速度解析 [C II] 158 μm 農度數據，繪製銀河平面的發射圖。
• 將 [C II] 數據與 H I、12CO、13CO 及 C18O 線觀測結果結合，以識別並分離不同 ISM 相態的貢獻。
• 利用 1.4 GHz 射電連續輻射（已知為大質量恆星離子化輻射的蹤跡）來繪製 SFR。
• 應用貝葉斯誤差-斜率（BES）擬合方法，推導 SFR 面密度與氣體面密度之間的關係。
• 將銀河系數據與河外星系及本地雲氣數據結合，推導出普遍的 [C II] 亮度-SFR 關係。
• 考慮體積密度與金屬豐度的徑向梯度，以解釋 [C II] 冷卻率-SFR 關係的斜率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在銀河系銀河平面中，[C II] 亮度如何與恆星形成率（SFR）相關？
• RQ2 哪些星際介質（ISM）相態對總 [C II] 農度貢獻最大？它們各自與 SFR 的相關性與綜合發射相比如何？
• RQ3 銀河系中的 [C II]-SFR 關係是否與河外星系中觀測到的相符？若否，哪些物理因素可解釋差異？
• RQ4 為何銀河系中 SFR-氣體面密度關係的斜率比河外星系研究更陡？
• RQ5 在銀河系平面中，SFR 面密度與致密分子氣體面密度之間是否存在線性相關性？

主要发现

• 在六個數量級的範圍內，[C II] 亮度與 SFR 之間存在單一普遍比例關係，關係式為 log(SFR) = (0.89 ± 0.04) log(L_[CII]) - 36.3 ± 1.5。
• 雖然單獨的 ISM 相態（如冷 H I、CO 暗 H₂、致密 PDRs、電離氣體）各自與 SFR 相關，但僅當綜合 [C II] 農度被考慮時，才能重現河外星系中觀測到的斜率。
• 銀河系中 [C II] 農度的四個主要貢獻相態貢獻相近：致密 PDRs（30%）、冷 H I（25%）、CO 暗 H₂（25%）及電離氣體（20%）。
• 銀河系中 SFR-氣體面密度關係斜率較河外星系研究更陡，原因在於使用了恆定的 CO-to-H₂ 轉換因子，該因子假設金屬豐度恆定，而銀河系實際存在金屬豐度的徑向梯度。
• 發現 SFR 面密度與致密分子氣體面密度（以 C18O 追蹤）之間存在線性相關性，與本地雲氣研究一致，顯示大質量恆星形成與致密氣體緊密相關。
• [C II] 冷卻率在各 ISM 相態中與 SFR 呈強烈相關，其斜率受體積密度與金屬豐度的徑向梯度所控制，支持 [C II] 冷卻與年輕恆星的 FUV 加熱達到平衡的觀點。