[论文解读] Planck's dusty GEMS. VI. Multi-J CO excitation and interstellar medium conditions in dusty starburst galaxies at z=2-4

R. Cañameras, C. Yang+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2018

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 112被引用 16

一句话总结

本研究利用IRAM 30米望远镜对红移z=2–4的11个强引力透镜化尘埃富集星暴星系进行了多-J CO线谱观测，揭示了具有30–1000 K动能温度和10^2.6–10^4.1 cm⁻³密度的高激发分子气体。主要发现是这些星系同时存在温暖致密气体相与较冷低密度气体储层，后者占总气体质量的50%之多，与PDR模型一致，且远紫外辐射场强度为银河系的10²–10⁴倍。

ABSTRACT

We present an extensive CO emission-line survey of the Planck's dusty GEMS, a small set of 11 strongly lensed dusty star-forming galaxies at z = 2-4 discovered with Planck and Herschel satellites, using EMIR on the IRAM 30-m telescope. We detected a total of 45 CO rotational lines from Jup=3 to Jup=11, and up to eight transitions per source, allowing a detailed analysis of the gas excitation and interstellar medium conditions within these extremely bright, vigorous starbursts. We applied radiative transfer models using the large velocity gradient approach to infer the spatially-averaged molecular gas densities, $n_{H_2}$~10$^{2.6-4.1}$ cm$^{-3}$, and kinetic temperatures, $T_k$~30-1000 K. In five sources, we find evidence of two distinct gas phases with different properties and model their CO ladder with two excitation components. The warm (70-320 K) and dense gas reservoirs in these galaxies are highly excited, while the cooler (15-60 K) and more extended low-excitation components cover a range of gas densities. In two sources, the latter is associated with diffuse Milky Way-like gas phases, which provides evidence that a significant fraction of the total gas masses of dusty starburst galaxies can be embedded in cool, low-density reservoirs. Finally, we show that the CO line luminosity ratios are consistent with those predicted by models of photon-dominated regions and disfavor scenarios of gas clouds irradiated by intense X-ray fields from active galactic nuclei. By combining CO, [CI] and [CII] line diagnostics, we obtain average PDR gas densities significantly higher than in normal star-forming galaxies at low-redshift, and far-ultraviolet radiation fields at least 100 times more intense than in the Milky Way. These spatially-averaged conditions are consistent with those in high-redshift SMGs and in a range of low-redshift environments.

研究动机与目标

• 通过详细的CO跃迁激发诊断，表征高红移尘埃富集星暴星系中的星际介质（ISM）条件。
• 确定z=2–4极端恒星形成环境中的分子气体物理条件，包括密度、温度和激发状态。
• 评估较冷低密度气体相在这些系统总分子气体质量中的贡献。
• 检验CO线光度比是否与光子主导区（PDR）模型一致，或是否支持来自活动星系核（AGN）X射线辐射的其他激发机制。

提出的方法

• 利用IRAM 30米望远镜上的EMIR对11个透镜星系进行了广泛的CO发射线谱观测，检测到从J_up=3到J_up=11共45条转动能级跃迁。
• 应用大速度梯度（LVG）辐射转移模型，从CO谱线能量分布（SLEDs）推导出空间平均的分子气体密度（n_H₂）和动能温度（T_k）。
• 在五个源中采用双组分激发模型，以表征具有不同物理特性的多个气体相。
• 结合本研究的[ C i ]和[ C ii ]线测量数据及文献中的数据，推导PDR模型参数，包括气体密度和远紫外（FUV）辐射场强度（G₀）。
• 使用去透镜化技术估算固有分子气体质量，并与GBT测得的CO(1–0)流量比较，以评估弥散气体相的存在。
• 评估通量定标方法的稳健性，并将CO线比值的差异解释为低密度气体储层的证据，而非差异性放大效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过多-J CO跃迁，这些星系中分子气体的物理条件（密度、温度、激发）如何？
• RQ2 这些星系是否包含具有不同激发特性的多个气体相，它们对总气体质量的相对贡献如何？
• RQ3 观测到的CO线光度比是否与光子主导区（PDR）模型预测一致，还是更支持来自AGN的X射线场等其他激发机制？
• RQ4 推导出的FUV辐射场和气体密度与本地恒星形成星系及其他高红移亚毫米波星系相比如何？
• RQ5 这些系统中总分子气体质量有多少分布在较冷低密度相中，这对基于CO光度的气体质量估计有何影响？

主要发现

• 在11个源中的9个中，CO谱线能量分布（SLEDs）的峰值出现在J_up=4至J_up=7之间，表明其高激发特性与星暴环境典型特征一致。
• 分子气体的空间平均密度为n_H₂ ≈ 10^2.6–10^4.1 cm⁻³，动能温度为T_k ≈ 30–1000 K；在五个源中识别出温暖致密组分（70–320 K，n_H₂ ≈ 10^3.0–10^4.5 cm⁻³）。
• 在两个源中检测到较冷、低激发气体相（n_H₂ ≈ 10^2.4–10^2.8 cm⁻³），其性质类似于银河系中的弥散气体，占总气体质量的50%之多。
• 推导出的PDR气体密度（n_PDR ≈ 10^4–10^5 cm⁻³）显著高于本地正常恒星形成星系，表明极端ISM条件。
• 远紫外（FUV）辐射场强度为银河系的10²至10⁴倍，与强烈的恒星形成及PDR模型一致。
• 模型预测的CO(1–0)流量低于GBT测量值，这在五个源中成立，表明存在标准CO标定关系未能捕捉到的显著弥散气体储层。