[论文解读] A large CO and HCN line survey of Luminous Infrared Galaxies

Panagiotis Papadopoulos, T. R. Greve+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2007

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 1被引用 3

一句话总结

本研究对迄今最大的河外分子线巡天进行了综合分析，结合使用JCMT和IRAM 30米望远镜对30个明亮红外星系（LIRGs）的CO和HCN多跃迁线观测。研究发现，未经激发效应校正时，HCN J=1–0线的亮度温度是致密气体质量的不可靠示踪指标；此外，某些ULIRGs中低激发分子气体储层可能导致通过高J CO线探测高红移类星体时出现强烈偏差。

ABSTRACT

A large CO, HCN multi-transition survey of 30 Luminous Infrared Galaxies ($ m L_{IR}>10^{11} L_{\odot}$) is nearing completion with the James Clerk Maxwell Telescope (JCMT) on Mauna Kea (Hawaii), and the IRAM 30-meter telescope at Pico Veleta (Spain). The CO J=1--0, 2--1, 3--2, 4--3,6--5, $ ^{13}$CO J=2--1, HCN J=1--0, 3--2, 4--3 observations, resulting from $\sim 250$ hours of JCMT, $\sim 100$ hours of 30-m observing time and data from the literature constitute {\it the largest extragalactic molecular line survey to date}, and can be used to address a wide range of issues and eventually allow the construction of reliable Spectral Line Energy Distributions (SLEDs) for the molecular gas in local starbursts. First results suggest that: a) HCN and HCO$^+$ J=1--0 line luminosities can be poor mass estimators of dense molecular gas ($ m n\geq 10^4 cm^{-3}$) unless their excitation is accounted for, b) CO cooling of such gas in ULIRGs may be comparable to that of the CII line at $ m 158 μm$, and c) low excitation of the {\it global} molecular gas reservoir remains possible in such systems. In such cases the expected low CO $ m J+1 o J$ line luminosities for $ m J+1\geq 4$ can lead to a strong bias against their detection from ULIRGs at high redshifts.

研究动机与目标

• 利用多跃迁CO和HCN线观测，表征本地LIRGs中致密分子气体（n ≥ 10⁴ cm⁻³）的激发态与质量。
• 评估HCN和HCO⁺ J=1–0线作为致密分子气体质量示踪指标的可靠性，同时考虑激发效应的影响。
• 通过比较CO与CII线的冷却效率，研究ULIRGs中分子气体的热平衡状态。
• 确定低激发分子气体储层在星暴星系中的普遍性及其对高红移探测的影响。
• 构建本地星暴分子气体的可靠光谱线能量分布（SLED），为未来高红移巡天提供参考。

提出的方法

• 利用JCMT和IRAM 30米望远镜对30个LIRGs开展多跃迁CO（J=1–0, 2–1, 3–2, 4–3, 6–5, 13CO J=2–1）和HCN（J=1–0, 3–2, 4–3）线的巡天观测。
• 收集了约250小时的JCMT观测时间与约100小时的30米望远镜观测时间，并辅以文献数据。
• 采用大速度梯度（LVG）辐射转移模型，基于观测到的线亮度比约束气体密度、动能温度与光学厚度。
• 将CO J=4–3与J=6–5线的亮度与CII 158 μm线冷却效率进行比较，评估分子气体的热平衡状态。
• 分析HCN与HCO⁺线比趋势（如(4–3)/(1–0)），推断不同分子间气体密度与激发状态的差异。
• 通过将低激发系统（如IRAS 05189-2524）的预期高J CO线亮度与典型巡天灵敏度限值进行比较，评估检测偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在未考虑激发效应的情况下，HCN J=1–0线亮度在LIRGs中在多大程度上能可靠地表征致密分子气体质量？
• RQ2 在具有相似红外与CO J=1–0线亮度的ULIRGs中，高J CO与HCN线的激发状态有何差异？
• RQ3 CO与CII线在ULIRGs中对总分子气体冷却的相对贡献如何？与低 luminosity 系统相比，这是否改变了热平衡状态？
• RQ4 低激发分子气体储层在LIRGs中有多普遍？其对通过高J CO发射探测高红移类星体有何影响？
• RQ5 HCN与HCO⁺线比能否区分不同的致密气体相？HCN是否在ULIRGs中真正追踪最致密的气体成分？

主要发现

• 未经激发效应校正时，HCN J=1–0线亮度是致密分子气体（n ≥ 10⁴ cm⁻³）质量的不可靠示踪指标。
• 在Arp 220与NGC 6240中，HCN (4–3)/(1–0)线比（0.6–0.8）显著高于HCO⁺ (4–3)/(1–0)线比（0.21–0.33），表明HCN追踪的是更致密的气体相。
• 在Mrk 231中，CO J=4–3与J=6–5线源自密度较高（n ~ 1–3×10⁴ cm⁻³）、中等温度（Tₖ ~ 50–70 K）的气体相，其总CO线冷却效率与CII 158 μm线相当。
• IRAS 05189-2524表现出低激发CO线比（当J+1 ≥ 4时，CO(J+1–J)/(1–0) ≤ 0.01），与银河系中典型的平静云团一致，即气体稀薄（Tₖ ~ 15 K，n ~ 100 cm⁻³）且温度较低。
• IRAS 05189-2524中低J CO线的低激发状态意味着，即使将其红外亮度提高10倍，当前仪器也无法探测到高J CO线（J ≥ 4），表明在高红移探测中存在强烈的系统性偏差。
• 此类低激发系统的发现表明，大量低激发分子气体储层可能与强烈的恒星形成共存，挑战了星暴系统中普遍存在高激发SLED的普遍假设。