[论文解读] Molecular Gas in the Galactic Center Region II. Gas mass and N(H_2)/I(^12CO) conversion based on a C^18O(J = 1 -> 0) Survey

G. Dahmen, S. Huettemeister+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 1997

Spectroscopy and Laser Applications被引用 11

一句话总结

本研究利用高分辨率 C^18O(J=1→0) 观测，重新评估了银心区域的标准 CO-to-H₂ 转换因子（SCF）。研究发现，由于光学厚度可变性和非均匀激发，SCF 使分子氢柱密度高估了一个数量级，因此在银心星族区域不适用，表明 ^12CO 辐射在星系银心区域并非 H₂ 质量的良好示踪剂。

ABSTRACT

The large scale structure and physics of molecular gas in the Galactic center region is discussed based on the analysis of a 9' resolution survey of the Galactic center region in the J=1->0 line of C^18O. Emphasis is placed on the comparison with ^12CO(1--0) data. The line shapes of C^18O(1--0) and ^12CO(1--0) differ significantly. The ratio of the intensities of the two isotopomers in the Galactic center region is generally higher than the value of ~15 expected from the ``Standard Conversion Factor'' (SCF) of ^12CO integrated line intensity to H_2 column density. In our data, this ratio is in the range from 30 to 200, mostly ~60 to 80. From LVG calculations, we estimate that the large scale ^12CO(1--0) emission in the Galactic center region is of moderate or low optical depth. Higher optical depths are restricted to very limited regions. We estimate H_2 densities and kinetic temperatures for different ranges of intensity ratios. A considerable amount of molecular mass is in a widespread molecular gas component with low densities and high kinetic temperatures. The total molecular mass is found to be (3^+2_-1) 10^7 M_{sun}. We show that the SCF is not valid toward the Galactic bulge. It overestimates the H_2 column density by an order of magnitude because the assumptions required for this factor are not fulfilled for a significant fraction of the molecular gas. Therefore, also one cannot apply a modified conversion factor to the Galactic center region since the N(H_2)/I(^12CO) ratio is highly variable and cannot be represented by a universal constant. Results from external galaxies indicate that the ^12CO emission is generally not a suitable tracer of H_2 masses in galactic bulges.

研究动机与目标

• 重新评估标准 CO-to-H₂ 转换因子（SCF）在银心区域的可靠性。
• 利用 C^18O(J=1→0) 线数据，确定银心星族中真实分子气体质量和物理条件。
• 研究 ^12CO(1–0) 辐射作为星系银心区域 H₂ 质量示踪剂的有效性。
• 量化 N(H₂)/I(^12CO) 比值的变化及其与光学厚度和激发条件的依赖关系。
• 评估是否可将通用或修正的转换因子应用于银心区域。

提出的方法

• 对银心区域开展 9′ 分辨率的 C^18O(J=1→0) 巡天观测，以追踪分子气体。
• 将 C^18O(1–0) 线轮廓与 ^12CO(1–0) 数据进行比较，评估光学厚度和激发差异。
• 使用大速度梯度（LVG）模型，根据观测到的强度比估算 H₂ 密度和气体动能温度。
• 在不同区域计算 N(H₂)/I(^12CO) 比值，以评估其可变性及与标准转换因子的偏离程度。
• 通过在观测区域上积分推导出的 H₂ 柱密度，估算总分子质量。
• 在非均匀激发和光学厚度条件下，评估 SCF 和修正转换因子的适用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 标准 CO-to-H₂ 转换因子（SCF）是否适用于银心区域？
• RQ2 N(H₂)/I(^12CO) 比值在银心区域如何变化？其可变性的原因是什么？
• RQ3 银心星族中分子气体的物理条件（密度、温度、光学厚度）如何？
• RQ4 ^12CO(1–0) 辐射在多大程度上可靠地示踪星系银心区域的 H₂ 质量？
• RQ5 是否可将通用或修正的转换因子应用于银心区域，还是该比值的空间变异性过大？

主要发现

• 银心区域的 N(H₂)/I(^12CO) 比值为 30 至 200，显著高于标准值 ~15，其中大多数值位于 60 至 80 之间。
• 银心区域的 ^12CO(1–0) 辐射在大尺度上为中等至低光学厚度，高光学厚度仅局限于小范围区域。
• 大量分子气体具有低密度和高动能温度，对总质量有显著贡献。
• 银心区域的总分子质量估计为 (3⁺²₋₁) × 10⁷ M☉。
• 标准转换因子（SCF）在银心星族中使 H₂ 柱密度高估约一个数量级。
• 由于 N(H₂)/I(^12CO) 比值存在强烈的空间变异性，无法可靠地应用通用或修正的转换因子。