[论文解读] On the chemistry and distribution of HOC+ in M82: More evidence for extensive PDRs

A. Fuente, S. García‐Burillo+9 more|ArXiv.org|Oct 5, 2008

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 32被引用 29

一句话总结

本研究利用高分辨率干涉观测和改进的PDR模型，调查了星暴星系M82中HOC+的化学性质与空间分布。结果证实，HOC+发射源自密度高（n ≥ 10⁴ cm⁻³）、受紫外辐射照射的光致离解区（PDRs），主要存在于小而致密的云气中（A_V = 5 mag），占分子气体总质量的87%，表明M82为一个古老的星暴星系，其分子气体储备已几乎耗尽。

ABSTRACT

The molecular gas composition in the inner 1 kpc disk of the starburst galaxy M82 resembles that of Galactic Photon Dominated Regions (PDRs). In particular, large abundances of the reactive ions HOC+ and CO+ have been measured in the nucleus of this galaxy. To investigate the origin of the large abundances of reactive ions in M82, we have completed our previous 30m HOC+ J=1-0 observations with the higher excitation HCO+ and HOC+ J=4-3 and 3-2 rotational lines. In addition, we have obtained with the IRAM Plateau de Bure Interferometer (PdBI) a 4" resolution map of the HOC+ 1-0 emission, the first ever obtained in a Galactic or extragalactic source. Our HOC+ interferometric image shows that the emission of the HOC+ 1-0 line is mainly restricted to the nuclear disk, with the maxima towards the E. and W. molecular peaks. In addition, line excitation calculations imply that the HOC+ emission arises in dense gas. Therefore, the HOC+ emission is arising in the dense PDRs embedded in the M82 nuclear disk, rather than in the intercloud phase and/or wind. We have improved our previous chemical model of M82 by (i) using the new version of the Meudon PDR code, (ii) updating the chemical network, and (iii) considering two different types of clouds (with different thickness). Most molecular observations (HCO+, HOC+, CO+, CN, HCN, H3O+) are well explained assuming that ~ 87 % of the mass of the molecular gas is forming small clouds (Av=5 mag) while only ~ 13 % of the mass is in large molecular clouds (Av=50 mag). Such small number of large molecular clouds suggests that M82 is an old starburst, where star formation has almost exhausted the molecular gas reservoir.

研究动机与目标

• 确定M82星系核区高丰度反应性离子（如HOC+和CO+）的起源。
• 区分在星系极端星际介质中，驱动分子化学反应的主导因素是紫外辐射还是X射线。
• 利用新的高激发谱线数据和干涉成像技术，改进PDR化学模型。
• 评估M82核盘面中HOC+发射的空间分布及物理条件。

提出的方法

• 在30米望远镜和JCMT上对HOC+和HCO+在J=3→2与J=4→3跃迁处进行观测，以探测谱线激发状态。
• 利用IRAM Plateau de Bure干涉仪获得HOC+ 1→0发射的4"分辨率干涉成像图。
• 应用Meudon PDR代码，采用更新的化学网络及两种云气类型（A_V = 5和50 mag），并以G₀ = 10⁴ Habing单位的紫外场照射。
• 进行激发态计算，通过谱线强度比推断气体密度（n ≥ 10⁴ cm⁻³）。
• 将模型预测与观测到的谱线强度比（如[CN]/[HCN]、[CO+]/[HCO+]）进行比较，以约束云气质量分数。
• 采用双组分云气模型，重现多种分子（HCO+、HOC+、CO+、CN、HCN、H₃O+）的观测分子丰度。

实验结果

研究问题

• RQ1 为重现M82中观测到的HOC+及其他离子丰度，所需的物理条件（密度、紫外场强度、云气尺寸）为何？
• RQ2 HOC+的高丰度主要由紫外光子还是星暴产生的X射线驱动？
• RQ3 M82中分子气体质量有多少比例位于小而致密的云气（A_V = 5 mag）中，又有多少位于大而弥散的云气（A_V = 50 mag）中？
• RQ4 是否可通过包含增强宇宙射线（ζ = 4×10⁻¹⁵ s⁻¹）及两种云气类型的PDR模型，重现全部观测到的分子谱线强度比？
• RQ5 HOC+发射的空间分布是否支持其起源于PDR，而非来自云间介质或喷流？

主要发现

• HOC+ 1→0发射局限于核盘面，峰值位于东侧和西侧分子峰处，4"分辨率干涉成像图证实其源自致密气体。
• 谱线激发态计算表明，HOC+发射来自密度高（n ≥ 10⁴ cm⁻³）的气体，排除了低密度云间或喷流相的可能。
• HOC+发射最合理的解释是致密PDR中由紫外驱动的化学反应，而非X射线电离，这一点由其与弥散X射线发射无相关性得到支持。
• 最佳拟合PDR模型要求87%的分子气体质量位于小而致密的云气中（A_V = 5 mag），仅13%位于大云气中（A_V = 50 mag），表明星暴已进入晚期阶段，剩余气体储备极少。
• 该模型成功重现了观测到的谱线强度比：[CN]/[HCN] = 6，[HCO+]/[HOC+] = 44，[CO+]/[HCO+] = 0.04，与紫外主导的化学反应一致。
• 模型预测N(HOC+) = 2.5×10¹³ cm⁻² 和 N(CO+) = 1.5×10¹³ cm⁻²，与观测值在两倍以内，证实了双云气、紫外照射PDR情景的稳健性。