[论文解读] Dense gas in nearby galaxies XIII. CO submillimeter line emission from the starburst galaxy M82

R. Q. Mao, C. Henkel+6 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2000

Spectroscopy and Laser Applications被引用 9

一句话总结

本研究对M82星暴核心中的亚毫米和毫米波段CO跃迁进行测绘，揭示出两个具有不同激发特性的非对称瓣状结构。通过光致辐射区（PDR）模型表明，弥漫的、受紫外辐射照射的分子气体——而非致密团块——主导了CO辐射，从而解释了较高的12CO/13CO比值，并解决了LVG建模中的不一致性。

ABSTRACT

12CO 1-0,2-1,4-3,7-6, and 13CO 1-0, 2-1, and 3-2 line was mapped with angular resolutions of 13" - 22" toward the nuclear region of starburst galaxy M82. The difference of lobe spacings in submillimeter (~15") and millimeter (~26") lines indicates the presence of a `low' and a `high' CO excitation component. An LVG excitation analysis of the submillimeter lines leads to inconsistencies, since area and volume filling factors are almost the same, resulting in cloud sizes along the lines-of-sight that match the entire size of the M82 starburst region. Nevertheless, LVG column densities agree with estimates derived from the dust emission in the far infrared and at submillimeter wavelengths. Accounting for high UV fluxes and variations in kinetic temperature and assuming that the observed emission arises from photon dominated regions (PDRs) resolves the problems related to an LVG treatment of the radiative transfer. 12CO/13CO line intensity ratios > 10 indicate that the bulk of the CO emission arises in UV-illuminated diffuse cloud fragments of small column density and sub-parsec cloud sizes with area filling factors >> 1. Thus CO arises from quite a different gas component than the classical high density tracers. The dominance of such a diffuse molecular interclump medium also explains observed high [CI}/CO line intensity ratios. PDR models do not allow a determination of the relative abundances of 12CO to 13CO. Ignoring magnetic fields, the CO gas appears to be close to the density limit for tidal disruption. A warm diffuse ISM not only dominates the CO emission in the starburst region of M82 but is also ubiquitous in the central region of our Galaxy, where tidal stress, cloud-cloud collisions, shocks, high gas pressure, and high stellar densities may all contribute to the formation of a highly fragmented molecular debris.

研究动机与目标

• 利用高分辨率CO线测绘，表征M82核星暴区域分子气体的激发状态与分布。
• 解决亚毫米波段CO跃迁LVG建模中的不一致问题，特别是关于填充因子和云团尺寸的问题。
• 确定光致辐射区（PDRs）是否比标准LVG假设更能解释观测到的CO线比值。
• 评估M82中心星暴区域分子气体的物理条件——密度、温度、柱密度。
• 研究弥漫分子气体在解释高12CO/13CO强度比值及[C I]/CO线比值中的作用。

提出的方法

• 利用HHT和IRAM 30米望远镜，对CO J=1–0、2–1、4–3、7–6以及13CO J=1–0、2–1、3–2跃迁进行测绘，角分辨率为13′′–22′′。
• 对亚毫米波段CO线应用大速度梯度（LVG）模型，以估算激发条件，包括柱密度和填充因子。
• 使用PDR模型模拟紫外辐射照射下弥漫分子气体的辐射转移，考虑动能温度、紫外通量及密度结构。
• 将观测到的12CO/13CO强度比与模型预测进行比较，以推断云团柱密度和填充因子。
• 通过比较碰撞激发速率与约4.7 μm波段尘埃可能产生的红外泵浦效应，评估辐射泵浦的影响。
• 忽略磁场作用，利用引力束缚条件评估云团在潮汐力作用下的稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何M82中亚毫米波段CO跃迁的LVG模型得出的填充因子和云团尺寸在星暴区域内不一致，且覆盖整个区域？
• RQ2 光致辐射区（PDR）模型能否解决LVG分析中的不一致，并更好地解释观测到的CO线比值？
• RQ3 主导M82星暴核心CO辐射的分子气体所处的物理条件（密度、温度、柱密度）是什么？
• RQ4 为何M82中12CO/13CO强度比显著大于10？这反映了发射气体的何种本质特征？
• RQ5 M82中观测到的CO辐射更可能由致密团块还是弥漫的、碎片化的团间介质解释？

主要发现

• 亚毫米波段CO线（J=4–3、7–6）的瓣间距约为15′′，而毫米波段线（J=2–1、1–0）的瓣间距约为26′′，表明存在两种不同的激发成分：高激发与低激发成分。
• LVG建模结果不一致：面积填充因子与体积填充因子几乎相同，暗示云团尺寸与整个星暴区域（约300 pc）相当。
• PDR模型通过表明CO辐射源自弥漫的、受紫外照射的介质（云团尺寸为亚秒差距级，面积填充因子>>1）解决了LVG模型的不一致问题。
• M82星暴区域的总分子质量约为数×10⁸ M☉，22′′波束平均的CO柱密度N(CO) ~5×10¹⁸ cm⁻²，H₂柱密度N(H₂) ~10²³ cm⁻²。
• 12CO/13CO强度比大于10表明，CO辐射主要来自弥漫的、低柱密度气体碎片（N(H₂) ~5×10²⁰ cm⁻² / km s⁻¹），而非致密团块。
• CO发射气体接近潮汐破坏密度极限，其H₂密度为n(H₂) ~10³.⁷ cm⁻³（高激发）和~10³ cm⁻³（低激发），并可能由高压和湍流稳定。