[论文解读] Molecular gas in low-metallicity starburst galaxies: Scaling relations and the CO-to-H$_2$ conversion factor

R. Amorín, C. Muñoz–Tuñón+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 147被引用 31

一句话总结

本研究利用IRAM 30米望远镜对低金属量蓝致密矮星系（BCD）进行CO(1-0)和CO(2-1)观测，揭示在金属贫乏环境中CO显著低估了H₂质量。研究提出一个与金属量相关的CO-to-H₂转换因子α_CO,Z ∝ (Z/Z⊙)^−1.5，使在Z ≈ 0.1Z⊙时H₂质量的低估程度降低约40倍，并部分缓解了BCD与Schmidt-Kennicutt关系之间的偏移。

ABSTRACT

We study the molecular content and the star formation efficiency of 21 Blue Compact Dwarfs (BCDs). We present CO(1-0) and (2-1) observations, further supplemented with additional CO measurements and multiwavelength ancillary data from the literature. We find the CO luminosity to be correlated with the stellar and HI masses, SFR tracers, the size of the starburst and its metallicity. BCDs appear offset from the Schmidt-Kennicutt (SK) law, showing extremely low ($\lesssim$0.1 Gyr) H2 and H2+HI depletion timescales. The departure from the SK law is smaller when considering H2+HI rather than H2 only, and is larger for BCDs with lower metallicity and higher specific SFR. Thus, the molecular fraction and H2 depletion timescale of BCDs is found to be strongly correlated with metallicity. Using this and assuming that the empirical correlation found between the specific SFR and galaxy-averaged H2 depletion timescale of more metal-rich galaxies extends to lower masses, we derive a metallicity-dependent CO-to-H2 conversion factor $α_{CO, Z} \propto (Z/Z_{\odot})^{-y}$, with $y=1.5(\pm 0.3)$ in qualitative agreement with previous determinations, dust-based measurements, and recent model predictions. Our results suggest that in vigorously star-forming dwarfs the fraction of H2 traced by CO decreases by a factor of about 40 from $Z \sim Z_{\odot}$ to $Z \sim 0.1 Z_{\odot}$, leading to a strong underestimation of the H2 mass in metal-poor systems when a Galactic $α_{CO, MW}$ is considered. Adopting $α_{CO, Z}$ we find that departures from the SK law are partially resolved. Our results suggest that starbursting dwarfs have shorter depletion gas timescales and lower molecular fractions compared to normal late-type disc galaxies even accounting for the molecular gas not traced by CO emission in metal-poor environments, raising additional constraints to model predictions (Abridged).

研究动机与目标

• 理解低金属量星暴星系（特别是蓝致密矮星系，BCDs）中的分子气体含量及恒星形成效率。
• 研究在低尘埃、低金属量星际介质中，CO发射作为H₂示踪剂的可靠性，其中紫外光致解离作用严重。
• 推导一个与金属量相关的CO-to-H₂转换因子（α_CO,Z），以校正金属贫乏系统中H₂质量的低估。
• 评估金属量和CO示踪分子气体的局限性对Schmidt-Kennicutt（SK）关系的影响。
• 检验气体、恒星形成与金属量之间的观测关系是否与低金属量环境中恒星形成理论模型一致。

提出的方法

• 使用IRAM 30米望远镜对10个BCD进行CO(1-0)和CO(2-1)谱线观测，其中7个被检测到。
• 补充了文献中关于CO亮度温度、H I质量、恒星形成率（SFR）和气相金属量的数据。
• 分析了CO亮度温度、恒星质量、H I质量、SFR和金属量之间的相关性，以推导比例关系。
• 利用经验关系α_CO,Z ∝ (Z/Z⊙)^−y，通过观测到的H₂耗尽 timescales 和SFR拟合出y = 1.5 ± 0.3，推导出与金属量相关的α_CO,Z因子。
• 比较了仅使用H₂和使用H₂+H I总气体面密度时SK关系的表现，以评估CO示踪局限性的影响。
• 使用推导出的α_CO,Z重新评估了H₂质量、耗尽 timescales 和分子气体分数（Σ_H₂/Σ_HI）随金属量的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低金属量星暴星系中，CO-to-H₂转换因子如何随金属量变化？
• RQ2 由于紫外光致解离作用，CO发射在金属贫乏BCD中多大程度上低估了真实的H₂质量？
• RQ3 在BCD中，观测到的分子气体、SFR与金属量之间的比例关系与标准Schmidt-Kennicutt关系相比如何？
• RQ4 应用与金属量相关的α_CO,Z是否能减小BCD与SK关系之间的观测偏移？
• RQ5 在低金属量星暴中，将H I气体纳入总气体预算对气体耗尽 timescale 有何影响？

主要发现

• 在观测的10个BCD中，CO被检测到7个，其中包括两个首次报告CO检测的星系。
• 由CO示踪的分子气体含量与恒星质量、H I质量、SFR、星暴尺度和气相金属量密切相关。
• 当仅使用H₂气体时，BCD与Schmidt-Kennicutt关系存在显著偏移，H₂耗尽 timescales < 0.1 Gyr，表明气体消耗极为迅速。
• CO-to-H₂转换因子最适宜用α_CO,Z ∝ (Z/Z⊙)^−1.5描述，其中y = 1.5 ± 0.3，表明从太阳金属量到0.1Z⊙金属量时，CO示踪的H₂质量分数降低约40倍。
• 采用α_CO,Z可减小BCD与SK关系的偏移，尤其在考虑H₂+H I总气体时，尽管仍存在残余偏移。
• 总气体耗尽 timescale（H₂+H I）随金属量变化趋于恒定，与强烈但短暂的星暴模型预测定性一致。