[论文解读] [CII] 158$μ$m and [NII] 205$μ$m emission from IC 342 - Disentangling the emission from ionized and photo-dissociated regions

M. Röllig, R. Simon+4 more|Data Archiving and Networked Services (DANS)|Apr 25, 2016

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 38被引用 10

一句话总结

本研究利用SOFIA/GREAT对[ C II] 158 µm和[N II] 205 µm谱线进行高空间分辨率观测，解耦了IC 342星系核区的[ C II] 158 µm发射，发现70%的[ C II]发射源自电离气体（H II区），而非光致解离区（PDRs），挑战了以往认为[ C II]在PDRs中占主导的假设。动力学分析揭示了膨胀的双极电离叶状结构， necessitating对星系核区中心结构的几何模型进行修正。

ABSTRACT

Aims: We investigate how much of the [CII] emission in the nucleus of the nearby spiral galaxy IC 342 is contributed by PDRs and by the ionized gas. We examine the spatial variations of starburst/PDR activity and study the correlation of the [CII] line with the [NII] 205{ extmu}m emission line coming exclusively from the HII regions. Methods: We present small maps of [CII] and [NII] lines recently observed with the GREAT receiver on board SOFIA. In particular we present a super-resolution method to derive how unresolved, kinematically correlated structures in the beam contribute to the observed line shapes. Results: We find that the emission coming from the ionized gas shows a kinematic component in addition to the general Doppler signature of the molecular gas. We interpret this as the signature of two bi-polar lobes of ionized gas expanding out of the galactic plane. We then show how this requires an adaptation of our understanding of the geometrical structure of the nucleus of IC~342. Examining the starburst activity we find ratios $I([CII])/I(^{12}\mathrm{CO} (1-0))$ between 400 and 1800 in energy units. Applying predictions from numerical models of HII and PDR regions to derive the contribution from the ionized phase to the total [CII] emission we find that 35-90% of the observed [CII] intensity stems from the ionized gas if both phases contribute. Averaged over the central few hundred parsec we find for the [CII] contribution a HII-to-PDR ratio of 70:30. Conclusions: The ionized gas in the center of IC 342 contributes more strongly to the overall [CII] emission than is commonly observed on larger scales and than is predicted. Kinematic analysis shows that the majority of the [CII] emission is related to the strong but embedded star formation in the nuclear molecular ring and only marginally emitted from the expanding bi-polar lobes of ionized gas.

研究动机与目标

• 解耦IC 342星系核区[ C II] 158 µm发射中电离气体（H II区）与光致解离气体（PDRs）的贡献。
• 研究中心分子环内星暴活动与PDR活动的空间变化。
• 利用[N II] 205 µm作为电离气体的示踪剂，确定H II区对总[ C II]发射的相对贡献。
• 评估动力学结构（特别是膨胀的电离叶状结构）如何影响观测到的谱线轮廓，并需对IC 342核区的几何结构进行修正。

提出的方法

• 利用SOFIA上的GREAT接收机获取高空间分辨率和高光谱分辨率的[ C II] 158 µm与[N II] 205 µm谱线轮廓。
• 应用超分辨率技术，重建光束内未分辨但具有动力学关联的结构，以解释观测到的谱线轮廓。
• 利用理论上的[N II]–[ C II]相关性，模拟并减去H II区的贡献，从而分离出剩余的PDR发射。
• 在LTE条件下，基于已知的紧凑H II区特性，对光学薄的[ C II]和[N II]发射进行建模，以估算其贡献。
• 通过数值拟合观测到的谱线形状，使用模拟的未分辨动力学组分，推断主导的发射结构。
• 将微结构线的线心径向速度与12 CO (1-0)数据进行比较，识别未与分子气体关联的运动成分，表明存在电离气体的运动。

实验结果

研究问题

• RQ1 IC 342星系核区观测到的[ C II] 158 µm发射中，有多少比例源自电离气体（H II区），又有多少比例源自光致解离区（PDRs）？
• RQ2 如何通过[ C II]谱线轮廓的动力学分析揭示膨胀电离气体结构（如双极叶状结构）的存在？
• RQ3 在该环境中，[N II] 205 µm谱线在多大程度上可作为[ C II]电离气体发射的可靠示踪剂？
• RQ4 [ C II]/12 CO (1-0)谱线强度比的空间变化如何反映中心分子环内恒星形成活动的差异？
• RQ5 为解释电离气体观测到的动力学特征，IC 342星系核区几何结构模型需做出哪些修正？

主要发现

• 在中心数百秒差距范围内平均，IC 342星系核区70%的[ C II]发射源自电离气体（H II区），其余30%源自PDRs。
• [ C II]/12 CO (1-0)谱线强度比在空间上变化范围为400至1800（能量单位），表明恒星形成活动存在强烈的空间差异，其中西南象限的值最高。
• 动力学分析揭示[ C II]谱线中存在一个在CO中未见的显著多普勒频移成分，解释为位于星系平面之上和之下的膨胀双极电离叶状结构。
• [N II] 205 µm谱线与H II区的[ C II]发射具有强相关性，证实其作为示踪剂的有效性；减去H II区贡献后的剩余[ C II]发射表明PDR贡献在不同位置为24–58%。
• 在图象的北部区域，剩余[ C II]的线宽与CO一致；而在南部区域，其线宽宽出30–40%，表明PDRs更湍流且更致密，这与更强的恒星形成活动有关。
• 在LTE条件下对光学薄发射进行建模显示，已知的紧凑H II区可解释约66%的观测[ C II]强度，与其他方法结果一致。