[论文解读] Molecular gas in the galaxy M83. I - The molecular gas distribution

A. Lundgren, Tommy Wiklind+2 more|ArXiv.org|Sep 29, 2003

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 46被引用 48

一句话总结

本研究利用SEST望远镜对棒旋星系M83进行了高分辨率12CO J=1–0和J=2–1观测，绘制了其整个光学盘面的分子气体分布。研究揭示了双峰CO线比值（平均为0.77）、强烈的棒结构相关发射，以及分辨出的分子螺旋臂，其上存在约10⁷ M⊙的巨型分子集团（GMAs）；总分子气体质量为3.9 × 10⁹ M⊙，与HI质量相当，H₂与HI的空间分布相似，包括小尺度团块结构。

ABSTRACT

We present CO(1-0) and CO(2-1) Swedish-ESO Submillimetre Telescope (SEST) observations of the barred spiral galaxy M83 (NGC5236). The maps cover the entire optical disk. The CO emission is strongly peaked toward the nucleus, which breaks up into two separate components in the CO(2-1) data due to the higher spatial resolution. Emission from the bar is strong, in particular on the leading edges of the bar. The molecular gas arms are clearly resolved and can be traced for more than 360\degr . Emission in the inter-arm regions is detected. The average CO CO(2-1)/CO(1-0) line ratio is 0.77. The ratio is lower than this on the spiral arms and higher in the inter-arm regions. The arms show regularly spaced concentrations of molecular gas, Giant Molecular Associations (GMA's), whose masses are of the order 10^7 Msun. The total molecular gas mass is estimated to be 3.9*10^9 Msun. This mass is comparable to the total HI mass, but H_2 dominates in the optical disk. In the disk, H_2 and HI show very similar distributions, including small scale clumping. We compare the molecular gas distribution with those of other star formation tracers, such as B and H_alpha images.

研究动机与目标

• 利用高分辨率CO谱线观测，绘制棒旋星系M83中分子气体的空间分布。
• 研究分子气体的形态与运动学特征，探讨其与螺旋结构和棒结构的关系。
• 估算总分子气体质量，并评估其相对于原子氢（HI）的分布特征。
• 通过CO(2–1)/(1–0)线比值分析，推断气体条件如密度和温度。
• 将分子气体分布与星暴形成示踪剂（如B波段和Hα发射）进行比较。

提出的方法

• 观测使用瑞典-ESO亚毫米波望远镜（SEST）进行，CO(1–0)和CO(2–1)的角分辨率分别为11″和7″–11″，覆盖10′ × 10′的天区。
• 在2,574个位置获取了CO(2–1)谱线，在1,900个位置获取了CO(1–0)谱线，支持详细的时空与谱线分析。
• 采用去卷积技术（MEM）恢复空间分辨率，并通过200″高斯卷积模型进行误差波束校正。
• 通过比较CO(2–1)谱线中展宽的翼部与卷积数据立方体，估算误差波束效率为0.27 ± 0.11。
• 利用速度积分CO线强度推导气体质量，假设采用标准X_CO因子。
• 按波束位置计算CO(2–1)/(1–0)线比值，以评估盘面内不同区域的激发条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 M83的光学盘面上分子气体如何分布，特别是其与棒结构和螺旋臂的关系如何？
• RQ2 M83中的总分子气体质量是多少？其与原子气体质量相比如何？
• RQ3 CO(2–1)/(1–0)线比值在不同区域如何变化？这反映了何种气体激发状态？
• RQ4 是否存在明显的分子气体集中区，如巨型分子集团（GMAs）？其典型质量是多少？
• RQ5 分子气体分布与B波段和Hα发射等星暴形成示踪剂之间有何相关性？

主要发现

• 分子气体强烈集中在星系核区，CO(2–1)数据因更高空间分辨率而将其分解为两个成分。
• 发射最强处位于棒结构前缘，表明棒驱动激波导致气体集中增强。
• 分子螺旋臂清晰可辨，环绕超过360°，并呈现出规则间隔的巨型分子集团（GMAs），质量约为10⁷ M⊙。
• 平均CO(2–1)/(1–0)线比值为0.77，螺旋臂区域值较低，臂间区域值较高，表明激发条件存在差异。
• 总分子气体质量估算为3.9 × 10⁹ M⊙，与总HI质量相当，H₂与HI在空间分布上极为相似，包括小尺度团块结构。
• 分子气体分布与星暴形成示踪剂（如B波段和Hα发射）高度相关，支持分子气体与活跃恒星形成之间的关联。