[论文解读] H2 and its relation to CO in the LMC and other magellanic irregulars

F. P. Israel|ArXiv.org|Sep 19, 1997

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 9

一句话总结

本文通过利用远红外表面亮度和HI数据推导H2柱密度，研究了大、小麦哲伦云（LMC/SMC）及其他麦哲伦系不规则星系中H2与CO之间的关系。研究发现，在低金属度环境（如SMC）中，CO-to-H2转换因子X显著高于LMC（SMC中X = 12，LMC中X = 1.3），这是由于在强辐射场下，弥散且屏蔽不良的气体中CO发生选择性光致解离所致。

ABSTRACT

H2 column densities towards CO clouds in the LMC and SMC are estimated from their far-infrared surface brightness and HI column density. N(H2)/I(CO) conversion factors are X(LMC) = 1.3 and X(SMC) = 12 (unit: 10**21 mol cm**-2 (K km/s)**-1). LMC and SMC contain total (warm) H2 masses of 1.0 and 0.75 x 10**8 M(sun) respectively. Similar local H2/HI mass ratios are found in the magellanic irregulars NGC 1569 (X = 16), NGC 55, 4214 and 6822 (X = 3--6) and in NGC 4449 as well as the extragalactic HII regions NGC 604, 595 and 5461 in M 33 and M 101 (X = 1--2). The CO--H2 conversion factor X depends on both the ambient radiation field intensity per nucleon s(FIR)/N(H) and metallicity [O]/[H]. The results are interpreted as the consequence of selective photodissociation of CO subjected to high radiation field energy densities and poor (self)shielding in low-metallicity environments, and especially the preferential destruction of diffuse CO in `interclump' molecular gas. Although locally H2 may be the dominant ISM-component, the average global H2/HI mass ratio is 0.2 and the average H2 gas mass fraction is 0.12. Magellanic irregulars thus have warm molecular gas fractions very similar to those of our Galaxy, whereas other global properties (mass, luminosity, metallicity, CO luminosity) are very different.

研究动机与目标

• 利用远红外和HI数据，确定LMC和SMC中CO发射区域的H2柱密度。
• 量化低金属度麦哲伦系不规则星系中CO-to-H2转换因子（X）。
• 探究辐射场强度和金属度对CO稳定性及H2/CO质量比的影响。
• 将麦哲伦系不规则星系的全局H2/HI质量比和H2气体分数与银河系进行比较。
• 理解X因子观测变化的物理机制，特别是低金属度环境下的情况。

提出的方法

• 利用远红外表面亮度和HI柱密度测量值估算H2柱密度。
• 应用远红外表面亮度与H2柱密度之间的关系，推导CO明亮区域的N(H2)。
• 使用X因子（N(H2)/I(CO)）将CO光度转换为H2质量，X值按星系分别推导。
• 分析X对每核子的远红外辐射场（FIR/N(H)）和金属度[O]/[H]的依赖性。
• 在多个麦哲伦系不规则星系（LMC、SMC、NGC 1569、NGC 55、4214、6822、NGC 4449，以及M33/M101中的HII区域）之间进行比较。
• 将观测到的X因子变化解释为在低金属度环境中，弥散且未屏蔽的分子气体中CO发生选择性光致解离所致。

实验结果

研究问题

• RQ1 LMC和SMC中的CO-to-H2转换因子（X）是多少？与银河系相比有何不同？
• RQ2 单位核子的环境辐射场强度如何影响低金属度星系中CO的稳定性？
• RQ3 尽管LMC和SMC均为麦哲伦系不规则星系，为何SMC中的X因子显著高于LMC？
• RQ4 金属度在多大程度上影响麦哲伦系不规则星系中观测到的H2/CO质量比？
• RQ5 麦哲伦系不规则星系的全局H2/HI质量比和H2气体分数与银河系相比如何？

主要发现

• CO-to-H2转换因子为X(LMC) = 1.3 × 10^21 mol cm⁻² (K km s⁻¹)⁻¹，X(SMC) = 12 × 10^21 mol cm⁻² (K km s⁻¹)⁻¹。
• LMC和SMC中的总暖H2质量分别为1.0 × 10^8 M☉和0.75 × 10^8 M☉。
• 在低金属度环境（如SMC）中，CO在弥散的“团间”分子气体中因屏蔽能力差而优先被破坏。
• X因子随单位核子的辐射场能量密度增加和金属度降低而增大，表明CO在这些条件下稳定性较差。
• 尽管局部H2占主导，麦哲伦系不规则星系的平均全局H2/HI质量比为0.2，H2气体质量分数为0.12。
• 尽管在质量、光度和金属度方面存在显著差异，麦哲伦系不规则星系的H2气体分数与银河系相似。