[论文解读] Molecular gas in the galaxy M83. II - Kinematics of the molecular gas

A. Lundgren, H. Olofsson+2 more|ArXiv.org|Apr 1, 2004

Scientific Research and Discoveries参考文献 39被引用 27

一句话总结

本研究利用SEST望远镜获取的12 CO(1–0)和(2–1)谱线观测，揭示了棒状旋涡星系M83中分子气体的运动学特征。研究发现，螺旋密度波驱动了气体的流动运动，螺旋臂中的气体面密度超过Toomre临界阈值——并与H ii区及巨大分子云团（GMAs）相关联——证实了动力学诱导的恒星形成机制。

ABSTRACT

We present the kinematics of the molecular gas in the barred spiral galaxy M83 (NGC5236). The study is based on ^{12}CO(J=1--0 and 2--1) observations with the Swedish-ESO Submillimetre Telescope (SEST). Iso-velocity maps of the entire optical disk, 10'x10' or 13x13 kpc, are produced. They show the pattern of an inclined, rotating disk, but also the effects of streaming motions along the spiral arms. A dynamical mass of about 6x10^10 M_sun is estimated by fitting the rotation curve of an exponential disk model to these data. The gas constitutes about 13% of the disk mass. The pattern speed is determined from the residual velocity pattern The locations of various resonances are discussed. The molecular gas velocity dispersion is determined, and a trend of decreasing dispersion with increasing galactocentric radius is found. A total gas (H_2+HI+He) mass surface density map is presented, and compared to the critical density for star formation of an isothermal gaseous disk. The critical density is exceeded in the spiral arms, but not in the interarm regions. The locations of Giant Molecular Associations (GMAs) and HII regions are consistent with this scenario of dynamically induced star formation.

研究动机与目标

• 利用CO谱线发射观测，绘制M83整个光学盘面分子气体的运动学特征。
• 通过速度场建模，确定星系旋转盘的动态质量和图案速度。
• 评估螺旋密度波在诱发引力不稳定性及触发恒星形成中的作用。
• 将观测到的气体面密度与引力坍缩的临界Toomre稳定性阈值进行比较。
• 研究高气体面密度区、速度 dispersion 及恒星形成区（H ii区与GMAs）之间的空间相关性。

提出的方法

• 利用瑞典-ESO亚毫米波望远镜（SEST）在10′ × 10′区域（13 × 13 kpc）获取12 CO(1–0)和(2–1)谱线发射数据。
• 生成等速度图，并通过将指数盘模型拟合至速度场，推导出旋转曲线。
• 利用Toomre判据计算引力不稳定的临界质量面密度（Σcr）：Σcr = 2.5κc²/G，其中κ为勒普利克频率。
• 计算比值Υ = Σgas / Σcr以评估局部引力稳定性，Υ > 1 表明不稳定。
• 分析残差速度图以识别流动运动及螺旋密度波动力学的分叉特征。
• 将CO速度弥散度与GMA间距与引力不稳定盘最快增长模态的理论预测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 M83中分子气体的速度场如何偏离圆周旋转？这些偏差由何引起？
• RQ2 M83在霍姆伯格半径内的动态质量是多少？分子气体对其中的贡献如何？
• RQ3 在盘面的哪些区域，气体面密度超过Toomre临界阈值？这与恒星形成有何关联？
• RQ4 观测到的巨分子云团（GMAs）间距与基于气体弥散度和面密度的理论预测相比如何？
• RQ5 螺旋密度波在组织气体、诱导流动运动及触发引力坍缩中起何作用？

主要发现

• M83中的分子气体表现出规则的倾斜旋转盘结构，沿螺旋臂存在流动运动，表明存在螺旋密度波图案。
• M83在霍姆伯格半径内的动态质量估计为6 × 10¹⁰ M⊙，其中分子气体贡献了总盘质量的约13%。
• 旋转曲线对称且能良好拟合指数盘模型，与Hα及H i推导的旋转曲线一致。
• 残差速度图在西部区域显示出分叉现象，与螺旋密度波的共转半径位于该分叉位置的结论一致。
• 分子气体的速度弥散度随星系中心半径增加而单调递减，尽管Beam弥散效应可能对此趋势有所贡献。
• 螺旋臂中气体面密度超过Toomre临界密度（Σcr）（Υ ≈ 1–2），而臂间区域保持稳定（Υ < 1），且该比值与H ii区及GMAs的位置强相关。