[论文解读] C+ Emission from the Magellanic Clouds II. [CII] maps of star-forming regions LMC-N 11, SMC-N 66, and several others

F. P. Israel, P. R. Maloney|Apr 11, 2011

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 81被引用 31

一句话总结

本研究利用基特望平流层望远镜（Kuiper Airborne Observatory）上的FIFI仪器，对大麦哲伦云（LMC）和小麦哲伦云（SMC）中低金属丰度的恒星形成区的[ CII ] 158 μm发射进行了测绘。研究发现，[ CII ]/FIR 比值为1%–3%，显著高于银河系中的值，这是由于在低尘埃环境中，紫外光子的平均自由路径较长，导致光电加热效率提高，尽管多环芳烃（PAH）丰度较低会降低加热速率。

ABSTRACT

We study the 158 micron [CII] fine-structure line emission from star-forming regions as a function of metallicity. We have measured and mapped the [CII] emission from the very bright HII region complexes N 11 in the LMC and N 66 in the SMC, as well as the SMC HII regions N 25, N 27, N 83/N 84, and N 88, with the FIFI instrument on the Kuiper Airborne Observatory. In both the LMC and SMC, the ratio of the [CII] line to the CO line and to the far-infrared continuum emission is much higher than seen almost anywhere else, including Milky Way star-forming regions and whole galaxies. In the low metallicity, low dust-abundance environment of the LMC and the SMC, UV mean free path lengths are much greater than those in the higher-metallicity Milky Way. The increased photoelectric heating efficiencies cause significantly greater relative [CII] line emission strengths. At the same time, similar decreases in PAH abundances have the opposite effect, by diminishing photoelectric heating rates. Consequently, in low-metallicity environments the relative [CII] strengths are high but exhibit little further dependence on actual metallicity. Relative [CII] strengths are slightly higher in the LMC than in the SMC, which has both lower dust and lower PAH abundances.

研究动机与目标

• 测量并绘制大麦哲伦云（LMC）和小麦哲伦云（SMC）中低金属丰度恒星形成区的[ CII ] 158 μm发射。
• 研究金属丰度和尘埃含量如何影响[ CII ]线发射相对于FIR连续谱和CO发射的关系。
• 理解驱动低金属丰度环境中[ CII ]发射增强的物理机制。
• 将LMC和SMC中[ CII ]与CO及FIR发射的比值，与银河系及其他星系中的比值进行比较。
• 评估尘埃和PAH的光电加热在塑造光致游离区（PDR）中[ CII ]发射中的作用。

提出的方法

• 观测使用基特望平流层望远镜（Kuiper Airborne Observatory, KAO）上的马克斯-普朗克研究所/加州大学伯克利分校远红外成像法布里-珀罗干涉仪（FIFI）在1992年4月从新西兰基督城起飞的飞行任务中进行。
• FIFI采用5×5焦面阵列，探测器间距40″，每个探测器的半高全宽（FWHM） beam 尺寸适合映射扩展源。
• 在LMC（N11）和SMC（N25、N27、N66、N83/N84、N88）的多个区域测量了158 μm处的[ CII ]线发射，各区域的积分时间与噪声水平已报告。
• 数据分析用于计算[ CII ]/FIR 和 [ CII ]/CO线比值，并在不同金属丰度和尘埃丰度的环境中进行比较。
• 利用光致游离区（PDR）的理论模型解释观测到的线比值，特别关注紫外辐射场强度（Go）、气体密度和屏蔽效应的影响。
• 将研究结果与银河系、M33、M51、M31和IC 10的现有数据进行比较，以定位低金属丰度系统中[ CII ]发射行为的背景。

实验结果

研究问题

• RQ1 大麦哲伦云（LMC）和小麦哲伦云（SMC）中低金属丰度HII区的[ CII ] 158 μm发射，与银河系及其他星系中的发射相比如何？
• RQ2 为何在LMC和SMC中观测到异常高的[ CII ]/FIR 比值，尤其是在与太阳金属丰度环境比较时？
• RQ3 尘埃和PAH丰度的变化如何影响光电加热效率，从而影响PDR中[ CII ]发射？
• RQ4 尽管SMC金属丰度更低，为何LMC中的[ CII ]/FIR 比值高于SMC？
• RQ5 紫外光子的几何稀释与低PAH丰度在多大程度上共同决定了低金属丰度星系中[ CII ]发射的强度？

主要发现

• LMC和SMC中的[ CII ]/FIR 比值达到1.6%–3.4%，是典型银河系恒星形成区的10倍，也是大多数其他星系的5–10倍。
• 尽管SMC金属丰度更低，LMC中的[ CII ]/FIR 比值仍高于SMC，这是由于SMC中紫外光子几何稀释更严重且PAH丰度更低。
• 在所观测区域中，[ CII ]/CO线比值变化范围极广，从400到113,000，表明在低金属丰度环境中，[ CII ]与CO在10 pc尺度上无明显相关性。
• 在低金属丰度PDR中，[ CII ]线强度在中低紫外辐射场强度（Go = 1–100）下与入射FUV辐射场（Go）成比例，但在更高Go值时趋于饱和。
• 观测到的[ CII ]/FIR 比值与尘埃和PAH的光电加热一致：SMC中尘埃和PAH丰度低，降低了加热速率，但长紫外光子平均自由路径提高了加热效率。
• IC 10的金属丰度和PAH丰度介于LMC与SMC之间，其[ CII ]比值与两者均无显著差异，表明尘埃与PAH的综合效应导致在不同金属丰度范围内[ CII ]发射行为相似。