[论文解读] Internal structure of spiral arms traced with [CII]: Unraveling the WIM, HI, and molecular emission lanes

T. Velusamy, W. D. Langer+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2015

Inorganic Fluorides and Related Compounds被引用 3

一句话总结

本研究利用赫歇尔/HIFI获得的高分辨率[ C II] 1.9 THz发射图，追踪银河系旋臂内部结构，揭示了压缩的暖电离介质（WIM）、H I和分子气体的独立发射窄带。研究在旋臂内缘识别出一个激波压缩的[ C II]峰值——与分子PDRs不同——提供了旋密度波压缩的直接运动学证据，其WIM电子密度约为0.5 cm⁻³，比平均盘面值高约10倍。

ABSTRACT

The spiral arm tangencies are ideal lines of sight in which to determine the distribution of interstellar gas components in the spiral arms and study the influence of spiral density waves on the interarm gas in the Milky Way. We present a large scale (~15deg) position-velocity map of the Galactic plane in [CII] from l = 326.6 to 341.4deg observed with Herschel HIFI. We use [CII] l-v maps along with those for Hi and 12CO to derive the average spectral line intensity profiles over the longitudinal range of each tangency. Using the VLSR of the emission features, we locate the [CII], HI, and 12CO emissions along a cross cut of the spiral arm. In the spectral line profiles at the tangencies [CII] has two emission peaks, one associated with the compressed WIM and the other the molecular gas PDRs. When represented as a cut across the inner to outer edge of the spiral arm, the [CII]-WIM peak appears closest to the inner edge while 12CO and [CII] associated with molecular gas are at the outermost edge. HI has broader emission with an intermediate peak located nearer to that of 12CO. The velocity resolved spectral line data of the spiral arm tangencies unravel the internal structure in the arms locating the emission lanes within them. We interpret the excess [CII] near the tangent velocities as shock compression of the WIM induced by the spiral density waves and as the innermost edge of spiral arms. For the Norma and Perseus arms, we estimate widths of ~250 pc in [CII]-WIM and ~400 pc in 12CO and overall spiral arm widths of ~500 pc in [CII] and 12CO emissions. The electron densities in the WIM are ~ 0.5 cm^-3, about an order of magnitude higher than the average for the disk. The enhanced electron density in the WIM is a result of compression of the WIM by the spiral density wave potential.

研究动机与目标

• 通过速度分辨的[ C II]、H I和12 CO发射谱线剖面，解析银河系旋臂的内部结构。
• 确定不同气体组分——WIM、H I和分子气体——相对于旋臂边缘的空间分布。
• 检验[ C II]发射是否能区分旋臂中暖电离介质（WIM）与光子主导区（PDRs）。
• 量化由于旋密度波引起的WIM压缩程度及其与H I和分子气体窄带宽度的比较。
• 评估沿旋臂WIM组分的可探测性，特别是超出切线线的区域。

提出的方法

• 通过赫歇尔/HIFI的“飞行中”（OTF）测绘，在银经l = 326.6°–341.4°和l = 304.9°–305.9°区域获取[ C II]、H I和12 CO谱线图谱。
• 对十字架、南十字座和英仙座切线区域的谱线强度剖面进行平均，以提取发射特征。
• 利用径向速度（V LSR）沿旋臂横截面映射发射峰位置，确定其相对于内缘和外缘的位置。
• 通过速度空间中的运动学分离，将[ C II]–WIM组分与分子PDR发射区区分开来。
• 应用辐射转移建模，利用[ C II]强度估算压缩WIM中的电子密度。
• 将旋臂宽度定义为[ C II]–WIM和12 CO发射剖面半功率点之间的距离。

实验结果

研究问题

• RQ1 压缩WIM、H I和分子气体的发射峰相对于旋臂内缘和外缘位于何处？
• RQ2 [ C II]发射本身能否区分旋臂中WIM与分子气体PDRs？
• RQ3 由于旋密度波引起的WIM压缩范围有多大？其与H I和分子气体窄带宽度相比如何？
• RQ4 为何WIM组分仅在旋臂切线处可探测到？其他视线方向的探测为何受限？
• RQ5 压缩WIM中的电子密度与平均盘面值相比如何？这对压缩机制有何启示？

主要发现

• 在切线速度以外的极端速度处，[ C II]发射追踪到一个激波压缩的WIM组分，位于12 CO峰值内约200 pc处，表明这是旋臂的内缘。
• WIM组分出现在比切线速度高约9 km s⁻¹的径向速度处，对应于接近银河系中心的位置。
• 压缩WIM中的电子密度约为0.5 cm⁻³，比典型盘面值高出约一个数量级，表明受到旋密度波的强烈压缩。
• 旋臂宽度估计约为500 pc（[ C II]和12 CO），其中[ C II]–WIM宽度约为250 pc，12 CO宽度约为400 pc（南十字座和英仙座旋臂）。
• H I发射具有更宽的剖面，其峰值居中，更靠近12 CO峰值而非[ C II]–WIM峰值，表明其空间分布不同。
• 由于路径长度不足和速度混合，[ C II]–WIM组分在切线以外区域难以探测，但其对星系总[ C II]光度的贡献可能显著。