[论文解读] Molecules at z=0.89: A 4-mm-rest-frame absorption line survey toward PKS 1830-211

S. Müller, A. Beelen+7 more|Chalmers Publication Library (Chalmers University of Technology)|Apr 18, 2011

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 128被引用 76

一句话总结

本研究利用澳大利亚望远镜紧凑阵列，对位于类星体 PKS 1830−211 前方的 z=0.89 螺旋星系进行了首次无偏 7 mm 分子吸收线谱线调查。在西南吸收组分中检测到 28 种分子物种和 8 种同位素取代体，揭示其分子丰度介于银河系弥散云和半透明云之间，且在 z=0.89 处对质子与电子质量比（μ）的潜在变化设定了严格上限 |Δμ/μ| < 4×10⁻⁶。

ABSTRACT

We present the results of a 7 mm spectral survey of molecular absorption lines originating in the disk of a z=0.89 spiral galaxy located in front of the quasar PKS 1830-211. [...] A total of 28 different species, plus 8 isotopic variants, were detected toward the south-west absorption region, located about 2 kpc from the center of the z=0.89 galaxy, which therefore has the largest number of detected molecular species of any extragalactic object so far. The results of our rotation diagram analysis show that the rotation temperatures are close to the cosmic microwave background temperature of 5.14 K that we expect to measure at z=0.89, whereas the kinetic temperature is one order of magnitude higher, indicating that the gas is subthermally excited. The molecular fractional abundances are found to be in-between those in typical Galactic diffuse and translucent clouds, and clearly deviate from those observed in the dark cloud TMC 1 or in the Galactic center giant molecular cloud Sgr B2. The isotopic ratios of carbon, nitrogen, oxygen, and silicon deviate significantly from the solar values, which can be linked to the young age of the z=0.89 galaxy and a release of nucleosynthesis products dominated by massive stars. [...] We also report the discovery of several new absorption components, with velocities spanning between -300 and +170 km/s. Finally, the line centroids of several species (e.g., CH3OH, NH3) are found to be significantly offset from the average velocity. If caused by a variation in the proton-to-electron mass ratio mu with redshift, these offsets yield an upper limit |Delta_mu/mu|&lt;4e-6, which takes into account the kinematical noise produced by the velocity dispersion measured from a large number of molecular species.

研究动机与目标

• 对 z=0.89 的高红移星系进行首次无偏分子吸收线谱线调查。
• 利用分子转动能级测量 z=0.89 处的宇宙微波背景温度。
• 研究遥远螺旋星系星际介质中的化学组成与物理条件。
• 检验基本物理常数（特别是质子与电子质量比 μ）在高红移处的可能变化。
• 将本星系的分子丰度与同位素比值与银河系及其他高红移源进行比较，以追踪化学演化。

提出的方法

• 在 30–50 GHz 频段进行 7 mm 谱线调查，对应于 57–94 GHz 的静止帧频率范围。
• 利用明亮的射电连续谱类星体 PKS 1830−211 作为背景光源，探测中间 z=0.89 星系中的分子吸收。
• 应用转动图分析法，从检测到的跃迁线中推导出转动温度和分子柱密度。
• 利用激发温度和柱密度估计值计算出动能温度和分子分数丰度。
• 分析多种分子物种的径向速度峰值，以评估动力学偏移，并约束质子与电子质量比（μ）的变化。
• 利用大量分子物种来考虑 μ 变化限制中的速度弥散噪声影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 z=0.89 螺旋星系星际介质中存在哪些完整的分子物种清单？
• RQ2 在 z=0.89 处吸收分子气体的物理条件（温度、密度、激发）如何？
• RQ3 该高红移星系中的分子丰度与同位素比值与银河系及其他河外源相比有何异同？
• RQ4 能否利用观测到的分子谱线速度峰值来约束 z=0.89 处质子与电子质量比（μ）的可能变化？
• RQ5 西南与东北吸收组分的结果有何差异？这些差异揭示了吸收气体结构与化学的哪些信息？

主要发现

• 在西南吸收组分中总共检测到 28 种分子物种和 8 种同位素取代体，是迄今为止在任何河外天体中检测到的最大分子种类清单。
• 吸收气体的转动温度与 z=0.89 处预期的宇宙微波背景温度 5.14 K 一致，证实其与 CMB 达到热平衡。
• 动能温度估计值比转动温度高一个数量级，表明分子气体处于亚热激发状态。
• 西南组分中的分子分数丰度介于银河系弥散云与半透明云之间，且与 TMC-1 或 Sgr B2 明显不同。
• 碳、氮、氧和硅的同位素比值偏离太阳值，可能由于 z=0.89 星系年龄较轻，且核合成富集主要由大质量恒星主导。
• 保守估计，z=0.89 处质子与电子质量比（μ）的可能变化上限为 |Δμ/μ| < 4×10⁻⁶，已考虑多物种引起的速度弥散影响。