[论文解读] Discovery of a Perseus-like cloud in the early Universe: H I-to-H 2 transition, carbon monoxide and small dust grains at z abs ≈ 2.53 towards the quasar J0000+0048

P. Noterdaeme, Jens-Kristian Krogager+11 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2016

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 141被引用 41

一句话总结

本研究报告在类星体 J0000+0048 方向发现了一个红移 z ≈ 2.53 的高红移分子云，其分子分数 f ≈ 50%，为迄今在高红移中间介质系统中观测到的最高值。结合甚大望远镜/UVES 和 X-Shooter 的高分辨率紫外与光学光谱，以及 Cloudy 模型分析，作者识别出一个冷而致密的云气（nH ≈ 80 cm⁻³，T ≈ 50 K），具有超太阳系金属度和小尺寸尘埃颗粒，其消光曲线陡峭且存在 2175 Å 吸收特征，与观测一致；同时推导出此时宇宙微波背景温度为 9.6 K，与绝热冷却理论预测完全一致。

ABSTRACT

We present the discovery of a molecular cloud at zabs=2.5255 along the line of sight to the quasar J0000+0048. We perform a detailed analysis of the absorption lines from ionic, neutral atomic and molecular species in different excitation levels, as well as the broad-band dust extinction. We find that the absorber classifies as a Damped Lyman-alpha system (DLA) with logN(HI)(cm^-2)=20.8+/-0.1. The DLA has super-Solar metallicity with a depletion pattern typical of cold gas and an overall molecular fraction ~50%. This is the highest f-value observed to date in a high-z intervening system. Most of the molecular hydrogen arises from a clearly identified narrow (b~0.7 km/s), cold component in which CO molecules are also found, with logN(CO)~15. We study the chemical and physical conditions in the cold gas. We find that the line of sight probes the gas deep after the HI-to-H2 transition in a ~4-5 pc-size cloud with volumic density nH~80 cm^-3 and temperature of only 50 K. Our model suggests that the presence of small dust grains (down to about 0.001 μm) and high cosmic ray ionisation rate (zeta_H a few times 10^-15 s^-1) are needed to explain the observed atomic and molecular abundances. The presence of small grains is also in agreement with the observed steep extinction curve that also features a 2175 A bump. The properties of this cloud are very similar to what is seen in diffuse molecular regions of the nearby Perseus complex. The high excitation temperature of CO rotational levels towards J0000+0048 betrays however the higher temperature of the cosmic microwave background. Using the derived physical conditions, we correct for a small contribution (0.3 K) of collisional excitation and obtain TCMB(z = 2.53)~9.6 K, in perfect agreement with the predicted adiabatic cooling of the Universe. [abridged]

研究动机与目标

• 研究早期宇宙中一个高红移分子云的物理与化学条件。
• 测定吸收体的分子分数与金属度，确认其为具有超太阳系金属度的 DLA。
• 理解小尺寸尘埃颗粒与宇宙射线电离在冷而致密气体中维持高 CO 含量中的作用。
• 利用 CO 能级激发测量 z ≈ 2.53 处的宇宙微波背景温度，以检验宇宙学模型。
• 将该云的性质与邻近英仙座复合体中弥漫分子区域的性质进行比较。

提出的方法

• 利用甚大望远镜/UVES 和 X-Shooter 进行高分辨率紫外与光学光谱观测，探测 H I、H2、CO、C I 及其他物种的吸收线。
• 使用 vpfit 代码进行光谱拟合，测量吸收组分的柱密度与运动学结构。
• 应用 Cloudy 光谱合成代码，模拟云中物理条件（密度、温度、紫外辐射场、宇宙射线电离率）。
• 利用 CO 转动能级激发推断气体的动能温度，并校正碰撞激发效应。
• 通过校正碰撞激发效应并对比观测 CO 激发与理论模型，推导出 z ≈ 2.53 处的 CMB 温度。
• 利用波段综合 SED 分析尘埃消光，并与 2175 Å 吸收特征及元素耗竭模式进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 该高红移分子云的物理与化学条件为何？其与本地弥漫分子云相比有何异同？
• RQ2 为何该系统中分子分数 f ≈ 50%？在高红移条件下，何种过程可实现如此高的分子分数？
• RQ3 小尺寸尘埃颗粒与宇宙射线电离在维持该云中高 CO 含量方面发挥何种作用？
• RQ4 能否通过 CO 激发测量 z ≈ 2.53 处的 CMB 温度？其结果是否与宇宙学预测一致？
• RQ5 哪些观测指标（如 C I、消光曲线）可有效预测高红移 DLA 中可探测到的 CO？

主要发现

• 该吸收体为一个氘化莱曼-α 系统，log N(H I) = 20.8 ± 0.1 cm⁻²，具有超太阳系金属度（Z ≈ 2.5 Z⊙），元素耗竭模式与冷气体典型特征一致。
• 分子分数 f ≈ 50% 是迄今在高红移中间介质系统中观测到的最高值，H2 与 CO 在一个窄而冷的组分中被检测到（b ≈ 0.7 km s⁻¹，T ≈ 50 K）。
• Cloudy 模型表明该云为致密且寒冷，nH ≈ 80 cm⁻³，具有中等紫外辐射场与较高的宇宙射线电离率（ζH ≈ 几个 × 10⁻¹⁵ s⁻¹）。
• 为重现观测到的消光曲线与 CO 含量，必须存在小尺寸尘埃颗粒（小至 ~0.001 µm）及 2175 Å 吸收特征。
• 在校正碰撞激发效应后，推导出 z = 2.53 处的 CMB 温度为 9.6 K，与绝热冷却理论预测 TCMB(z) = T₀(1 + z) 完全一致。
• 尽管形成时宇宙年龄仅约 25 亿年，该云的物理与化学性质与邻近英仙座复合体中弥漫分子区域极为相似。