[论文解读] Detection of Emission from the CN Radical in the Cloverleaf Quasar at z=2.56

Dominik A. Riechers, Fabian Walter+5 more|ArXiv.org|May 23, 2007

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 27被引用 14

一句话总结

本研究利用IRAM Plateau de Bure干涉仪，首次在红移z=2.56的Cloverleaf类星体中探测到CN(3→2)发射线。CN线追踪了紫外辐射照射下的光解离区中的致密分子气体（n(H₂) > 10⁴ cm⁻³），其观测到的与FIR光度的光度比与本地（超）明亮红外星系一致，证实CN是高红移环境下致密、星形成气体的可靠示踪剂。

ABSTRACT

We report the detection of CN(N=3-2) emission towards the Cloverleaf quasar (z=2.56) based on observations with the IRAM Plateau de Bure Interferometer. This is the first clear detection of emission from this radical at high redshift. CN emission is a tracer of dense molecular hydrogen gas (n(H2) > 10^4 cm^{-3}) within star-forming molecular clouds, in particular in regions where the clouds are affected by UV radiation. The HCN/CN intensity ratio can be used as a diagnostic for the relative importance of photodissociation regions (PDRs) in a source, and as a sensitive probe of optical depth, the radiation field, and photochemical processes. We derive a lensing-corrected CN(N=3-2) line luminosity of L'(CN(3-2) = (4.5 +/- 0.5) x 10^9 K km/s pc^2. The ratio between CN luminosity and far-infrared luminosity falls within the scatter of the same relationship found for low-z (ultra-) luminous infrared galaxies. Combining our new results with CO(J=3-2) and HCN(J=1-0) measurements from the literature and assuming thermal excitation for all transitions, we find a CO/CN luminosity ratio of 9.3 +/- 1.9 and a HCN/CN luminosity ratio of 0.95 +/- 0.15. However, we find that the CN(N=3-2) line is likely only subthermally excited, implying that those ratios may only provide upper limits for the intrinsic 1-0 line luminosity ratios. We conclude that, in combination with other molecular gas tracers like CO, HCN, and HCO+, CN is an important probe of the physical conditions and chemical composition of dense molecular environments at high redshift.

研究动机与目标

• 在高红移类星体中探测CN发射线，以研究超越CO和HCN的致密分子气体条件。
• 探究紫外辐射和光化学过程在遥远活跃星系中分子气体化学演化中的作用。
• 评估CN作为光解离区（PDRs）和高红移星形成环境中的致密气体激发状态诊断工具的适用性。
• 将CN光度比与FIR及其他分子线光度进行比较，以评估其在高红移星系研究中的诊断能力。

提出的方法

• 使用IRAM Plateau de Bure干涉仪对CN(3→2)跃迁进行高光谱分辨率观测，空间分辨率达亚角秒级。
• 测得消融校正后的线光度L′_CN(3-2) = (4.5 ± 0.5) × 10⁹ K km s⁻¹ pc²。
• 结合文献中已有的CO(3→2)和HCN(1→0)光度，计算光度比。
• 通过将观测到的CN(3→2)光度与热平衡和亚热平衡激发假设下的预测值进行比较，评估激发条件。
• 利用HCN/CN和CO/CN光度比作为气体密度、辐射场强度和光学厚度的诊断工具。
• 绘制高红移和本地星系样本中L′_CN–L_FIR关系图，检验其与本地标度关系的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 CN(3→2)发射线是否可在高红移类星体中探测到？其存在揭示了关于致密分子气体环境的哪些信息？
• RQ2 Cloverleaf中CN、HCN和CO的光度比与本地（超）明亮红外星系相比如何？这对其气体激发和化学性质有何启示？
• RQ3 CN(3→2)线在多大程度上处于亚热激发状态？这如何影响光度比的解释？
• RQ4 本地星系中观测到的CN/FIR光度关系是否适用于高红移类星体如Cloverleaf？
• RQ5 在高红移星形成区及AGN影响区域，CN是否比HCN更能特异性地示踪紫外辐射照射的致密气体？

主要发现

• 在红移z=2.56的Cloverleaf类星体中明确探测到CN(3→2)线，这是该自由基在高红移的首次探测。
• 消融校正后的CN(3→2)线光度为L′_CN(3-2) = (4.5 ± 0.5) × 10⁹ K km s⁻¹ pc²。
• Cloverleaf的L′_CN–L_FIR关系落在本地（超）明亮红外星系观测到的散射范围内。
• CO/CN光度比为9.3 ± 1.9，HCN/CN光度比为0.95 ± 0.15，但这些值可能为上限，因CN处于亚热激发状态。
• CN(3→2)线可能仅处于亚热激发状态，若假设热平衡，则1→0光度比会被高估。
• 观测到的CN发射与紫外辐射照射下的光解离区中致密分子气体的分布一致，支持CN作为高红移星系中星形成条件的灵敏示踪剂。