[论文解读] CS, HC3N and CH3CCH multi-line analyses towards starburst galaxies. The evolution of cloud structures in the central regions of galaxies

R. Aladro, J. Martín‐Pintado+3 more|UCL Discovery (University College London)|Sep 9, 2010

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 26

一句话总结

本研究利用CS、HC₃N和CH₃CCH的多跃迁观测，调查了四個星暴星系核心區域的致密分子氣體。通過應用玻爾茲曼圖和大速度梯度模型，發現雲的結構與化學性質隨星暴階段而演化：年輕衝擊區顯示均勻的密度與組成，中等系統表現出高密度對比，而演化較成熟的系統如M 82則顯示均勻密度、受紫外輻射影響的包層，以及HC₃N和CH₃CCH的極端化學差異。

ABSTRACT

We aim to study the properties of the dense molecular gas towards the inner few 100 pc of four nearby starburst galaxies dominated both by photo dissociation regions (M82) and large-scale shocks (NGC253, IC342 and Maffei2), and to relate the chemical and physical properties of the molecular clouds with the evolutionary stage of the nuclear starbursts. We have carried out multi-transitional observations and analyses of three dense gas molecular tracers, CS, HC3N and CH3CCH, using Boltzmann diagrams in order to determine the rotational temperatures and column densities of the dense gas, and using a Large Velocity Gradients model to calculate the H2 density structure in the molecular clouds. The CS and HC3N data indicate the presence of density gradients in the molecular clouds, showing similar excitation conditions, and suggesting that they arise from the same gas components. In M82, CH3CCH has the highest fractional abundance determined in a extragalactic source (10^-8). The density and the chemical gradients found in all galaxies can be explained in the framework of the starburst evolution. The young shock-dominatedstarburst galaxies, like presumably Maffei2, show a cloud structure with a rather uniform density and chemical composition which suggests low star formation activity. Molecular clouds in galaxies with starburst in an intermediate stage of evolution, such as NGC253 and IC342, show clouds with a large density contrast (two orders of magnitude) between the denser regions (cores) and the less dense regions (halos) of the molecular clouds and relatively constant chemical abundance. Finally, the galaxy with the most evolved starburst, M82, has clouds with a rather uniform density structure, large envelopes of atomic/molecular gas subjected to UV photodissociating radiation from young star clusters, and very different chemical abundances of HC3N and CH3CCH.

研究动机与目标

• 理解鄰近星暴星系核心數百秒差距內致密分子氣體的物理與化學性質。
• 將CS、HC₃N和CH₃CCH的觀測譜線激發與譜線豐度變化與核星暴的演化階段聯繫起來。
• 確定衝擊波與紫外輻射場如何塑造星系核心的分子雲結構與化學性質。
• 測試分子雲中的化學與密度梯度是否可作為星暴演化階段的示蹤器。

提出的方法

• 使用IRAM 30米望遠鏡對四個星暴星系核心區域的CS、HC₃N和CH₃CCH多躍遷發射譜線進行觀測。
• 利用玻爾茲曼圖推導致密氣體組分的轉動溫度與柱密度。
• 應用大速度梯度（LVG）模型以推斷分子雲中的H₂密度結構。
• 計算譜線強度比與分數豐度，以比較不同星系之間的化學條件。
• 通過比較CS與HC₃N的激發行為來分析激發條件，假設它們追蹤相同的氣體組分。
• 在衝擊或紫外解離為主要加熱機制的背景下解讀化學豐度的變化。

实验结果

研究问题

• RQ1 CS與HC₃N在不同星暴星系中的激發條件如何比較？它們揭示了氣體結構的哪些特徵？
• RQ2 紫外輻射與衝擊波在塑造星系核心致密分子氣體化學組成中扮演何種角色？
• RQ3 分子雲中的密度與化學梯度如何與核星暴的演化階段相關聯？
• RQ4 為何M 82在任何河外源中均顯示最高的CH₃CCH分數豐度？這對其化學性質有何含義？
• RQ5 觀測到的分子豐度差異（例如HC₃N與CH₃CCH）能否由各星系中的主導物理過程解釋？

主要发现

• CS與HC₃N在所有星系中均表現出相似的激發條件，表明它們追蹤相同的致密氣體組分。
• 在M 82中，CH₃CCH的分數豐度達到迄今在河外源中測量到的最高值：1.1 × 10⁻⁸。
• 如Maffei 2等年輕、以衝擊為主的星暴星系，其分子雲具有均勻的密度與化學組成，顯示低恆星形成活動。
• 如NGC 253與IC 342等中等階段星暴星系，其分子雲在核心與暈之間具有達兩個數量級的密度對比，但化學豐度相對恆定。
• 最成熟的星暴星系M 82顯示均勻的密度結構、受紫外輻射影響的大型原子/分子氣體包層，以及HC₃N與CH₃CCH極端多變的化學豐度。
• 觀測到的化學與結構梯度在星系間的一致性，與星暴演化序列影響雲結構與化學性質的假設相符。