[论文解读] HI filaments are cold and associated with dark molecular gas. HI4PI based estimates of the local diffuse CO-dark H2 distribution

P. M. W. Kalberla, J. Kerp+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2020

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 70被引用 6

一句话总结

该论文提出，银河系弥散星际介质中温度较低的中性氢（H i）丝状结构（T_D ≤ 1165 K）与CO暗分子氢（H₂）相关，利用HI4PI数据中的多普勒温度对尘埃-气体比中的未计入H₂进行修正。研究发现，冷H i气体与H₂相关，其中46%的冷中性介质（CNM）总氢以CO暗H₂形式存在，且T_D ≤ 220 K的丝状结构中分子分数≥61%，表明H₂占主导地位。

ABSTRACT

Context. There are significant amounts of H2 in the Milky Way. Due to its symmetry H2 does not radiate at radio frequencies. CO is thought to be a tracer for H2, however CO is formed at significantly higher opacities than H2. Thus, toward high Galactic latitudes significant amounts of H2 are hidden and called CO-dark. Aims. We demonstrate that the dust-to-gas ratio is a tool to identify locations and column densities of CO-dark H2. Methods. We adopt the hypothesis of a constant E(B-V)/NH ratio, independent of phase transitions from HI to H2. We investigate the Doppler temperatures TD, from a Gaussian decomposition of HI4PI data, to study temperature dependencies of E(B-V)/NHI. Results. The E(B-V)/NHI ratio in the cold HI gas phase is high in comparison to the warmer one. We consider this as evidence that cold HI gas toward high Galactic latitudes is associated with H2. Beyond CO-bright regions we find for TD < 1165 K a correlation (NHI + 2NH2 )/NHI prop -log T_D. In combination with a factor XCO = 4.0 10 20 cm^-2 (K km s^-1 )-1 this yields for the full-sky NH /E(B-V) sim 5.1 to 6.7 10^21 cm^-2 mag^-1, compatible with X-ray scattering and UV absorption line observations. Conclusions. Cold HI with T_D < 1165 K contains on average 46% CO-dark H2. Prominent filaments have TD < 220 K and typical excitation temperatures Tex sim 50 K. With a molecular gas fraction of > 61% they are dominated dynamically by H2.

研究动机与目标

• 利用消光和H i数据识别并量化弥散星际介质中的CO暗分子氢（H₂）。
• 确定冷H i气体相是否与隐藏的H₂相关，尤其是在高银纬区域。
• 开发一种温度依赖的尘埃-气体比校正方法，以考虑H i柱密度测量中未观测到的H₂。
• 评估H₂在冷、丝状H i结构中的动力学主导性。
• 通过X_CO = 4.0×10²⁰ cm⁻² (K km s⁻¹)⁻¹进行验证，并与X射线和紫外观测结果比较。

提出的方法

• 对HI4PI数据进行高斯分解，以推导H i组分的多普勒温度（T_D）。
• 使用E(B-V)/N_HI作为尘埃-气体比的代理，假设其与总N_H呈线性关系，即使在H i向H₂相变期间亦成立。
• 通过经验方法推导校正函数f_c(T_D)，用于将E(B-V)/N_HI调整为E(B-V)/(N_HI + 2N_H2)，以考虑CO暗H₂。
• 在CO明亮区域应用X_CO因子（4.0×10²⁰ cm⁻² (K km s⁻¹)⁻¹）将CO亮度温度转换为H₂柱密度。
• 通过FIR发射和紫外吸收数据交叉验证尘埃-气体相关性。
• 对天空中74%的非CO明亮区域进行统计分析，以推导平均H₂分数和温度阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 冷H i气体（T_D ≤ 1165 K）是否与未被CO追踪的隐藏分子氢相关？
• RQ2 E(B-V)/N_HI比值是否随T_D降低而系统性增加，表明存在未计入的H₂？
• RQ3 在非CO明亮区域的冷中性介质（CNM）中，平均分子气体分数f^N_H2 = 2N_H2 / N_H为多少？
• RQ4 H i丝状结构的物理属性（T_D、T_ex、f^N_H2）如何与H₂主导性和尘埃关联相关？
• RQ5 f_c(T_D)校正是否可扩展至使用标准X_CO因子的CO明亮区域？

主要发现

• E(B-V)/N_HI比值随T_D降低而增加，表明冷H i气体（T_D ≤ 1165 K）与未计入的分子氢相关。
• 推导出温度依赖的校正函数f_c(T_D)，可用于估算包含CO暗H₂的真实尘埃-气体比。
• 平均而言，非CO明亮区域中CNM的总氢柱密度有46%以CO暗H₂形式存在。
• T_D ≤ 220 K的丝状结构具有激发温度T_ex ≈ 50 K，且分子气体分数f^N_H2 ≥ 61%，表明H₂占主导地位。
• 推导出的N_H/E(B-V)比值为5.1至6.7×10²¹ cm⁻² mag⁻¹，与X射线散射和紫外吸收线观测结果一致。
• f_c(T_D)校正显著减少了高银纬区域尘埃-气体比中的系统性偏差，支持其在修正前景消光中的应用。