[论文解读] Dense Molecular Gas in Extreme Starburst Galaxies - What will we learn from Herschel?

T. R. Greve, Panagiotis Papadopoulos+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2006

Spectroscopy and Laser Applications被引用 7

一句话总结

本文利用阿普220和NGC 6240的多线分子辐射数据，通过大速度梯度（LVG）建模表征极端星暴星系中的致密分子气体，证明CS、HCN和HCO+分别示踪不同密度的气体——CS示踪的气体密度比HCO+高约10倍——并预测赫歇尔/HI-FIX将能在红移z ≈ 0.5以内的ULIRG中探测到这些分子的高J跃迁，从而实现对高红移类星暴星系的完整分子谱线阶梯研究。

ABSTRACT

Ultra Luminous Infra-Red Galaxies (ULIRGs) -- gas-rich mergers harboring the most extreme star-forming conditions encountered in the local Universe -- are thought to re-enact the galaxy formation processes we are only barely able to glimpse in the distant Universe. Combining new single-dish molecular line observations of 12CO, 13CO, HCO+, HCN, and CS towards the two ULIRGs Arp220 and NGC6240 with existing data in the literature, we have compiled the most extensive molecular line data-sets to date of such galaxies. The data allow us to put strong constraints on the properties of the dense star forming gas in these two systems, and compare the relative usefulness of CS, HCN and HCO+ as tracers of dense gas. In addition, we have build molecular line templates based on our observations, and demonstrate that Herschel/HI-FI will be able to detect the high-J transitions of most of the above molecules in a large sample of ULIRGs out to z<=0.5, assuming Arp220 and NGC6240 are representative of the ULIRG population at these redshifts.

研究动机与目标

• 利用多线分子辐射数据表征极端星暴星系中致密分子气体的物理条件。
• 比较HCO+、HCN和CS在ULIRG中作为致密气体示踪剂的有效性。
• 基于阿普220和NGC 6240构建经验分子谱线模板，用于高红移研究。
• 预测赫歇尔/HI-FIX在红移z ≤ 0.5的ULIRG中探测高J分子跃迁的可行性。
• 通过提供低红移模板，为ALMA未来的高红移研究提供支持，以帮助解释高J谱线发射。

提出的方法

• 利用JCMT和IRAM 30米望远镜对阿普220和NGC 6240进行12 CO、13 CO、HCO+、HCN和CS谱线的单镜面观测。
• 应用大速度梯度（LVG）模型解释谱线强度比，推导气体密度、温度和光学厚度。
• 基于最佳拟合的LVG解算结果，计算HCN、HCO+和CS对H2的转换因子（α），以估算致密气体质量。
• 利用推导出的致密气体性质，预测在红移z=0.05至z=1.0的ULIRG中，高J跃迁（最高至J=11-10）的谱线流量。
• 投影赫歇尔/HI-FIX在六个波段的灵敏度极限，以评估在z ≤ 0.5时高J谱线的可探测性。
• 基于阿普220和NGC 6240构建分子谱线模板，作为高红移观测的参考基准。

实验结果

研究问题

• RQ1 在阿普220和NGC 6240等极端星暴星系中，致密分子气体的物理条件（密度、温度、光学厚度）如何？
• RQ2 在ULIRG中，HCO+、HCN和CS作为致密气体示踪剂，在不同气体密度下的敏感性如何比较？
• RQ3 高J CO、HCN、CS和HCO+跃迁在ULIRG中在多大程度上共存，表明其处于同一致密气体相？
• RQ4 赫歇尔/HI-FIX是否能探测到红移z ≤ 0.5的ULIRG中的高J分子跃迁？这如何与地面望远镜设施形成互补？
• RQ5 本地ULIRG模板（如阿普220、NGC 6240）在解释高红移星系中高J谱线探测结果方面能发挥何种作用？

主要发现

• CS示踪的气体密度比HCN高约10倍，比HCO+高约100倍，证实其作为最致密、大质量恒星形成核的示踪剂角色。
• HCN、HCO+和CS均示踪温度为50–70 K的气体，表明它们与活跃的恒星形成区相关。
• 阿普220和NGC 6240的致密气体质量分别估算为(0.6–2.5)×10¹⁰ M☉和(0.8–2.4)×10¹⁰ M☉，由于多线数据的强约束，具有高置信度。
• 赫歇尔/HI-FIX可在红移z ≤ 0.5的ULIRG中探测到CO、HCN、CS和HCO+的高J转动跃迁阶梯（最高至J=11-10），在1小时积分时间内可达到5σ灵敏度。
• 观测到的谱线流量和预测的可探测性支持将HCN和高J CO作为高红移星系中致密气体的可行替代指标，尤其在地面观测受大气吸收限制时。
• 阿普220和NGC 6240的模板为解释遥远高红移星暴中的高J谱线发射提供了稳健且基于实测数据的参考基准。