[论文解读] Results of the ESO-SEST Key Programme on CO in the Magellanic Clouds X. CO emission from star formation regions in LMC and SMC

F. P. Israel, L. E. B. Johansson+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2003

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 19被引用 44

一句话总结

本研究对大、小麦哲伦云中的13个恒星形成区进行了高分辨率CO（J=1–0和J=2–1）映射，结果表明分子云通常较小（20 pc）、孤立存在，且显著小于其相关的HII区。关键发现是CO与¹³CO的亮度温度比集中在10左右，表明由于金属丰度低和强烈的紫外辐射导致CO丰度降低；在低亮度区域出现的较高比值则指向云边缘处的CO光致解离。

ABSTRACT

We present J=1-0 and J=2-1 12CO maps of several star-forming regions in both the Large and the Small Magellanic Cloud, and briefly discuss their structure. Many of the detected molecular clouds are relatively isolated and quite small with dimensions of typically 20 pc. Some larger complexes have been detected, but in all cases the extent of the molecular clouds sampled by CO emission is significantly less than the extent of the ionized gas of the star-formation region. Very little diffuse extended CO emission was seen; diffuse CO in between or surrounding the detected discrete clouds is either very weak or absent. The majority of all LMC lines of sight detected in 13CO has an isotopic emission ratio I(12CO)/I(13CO) of about 10, i.e. twice higher than found in Galactic star-forming complexes. At the lowest 12CO intensities, the spread of isotopic emission ratios rapidly increases, low ratios representing relatively dense and cold molecular gas and high ratios marking CO photo-dissociation at cloud edges.

研究动机与目标

• 对大、小麦哲伦云中恒星形成区的分子CO辐射进行测绘，以研究低金属丰度、高辐射环境下的星际介质特性。
• 确定以CO示踪的分子云与电离HII区之间的空间关系。
• 研究CO与¹³CO的亮度温度比作为低金属丰度环境中CO丰度、光学厚度和光致解离的示踪指标。
• 与银河系相比，评估大、小麦哲伦云中CO与H₂转换因子（X）的可靠性。
• 理解光束填充因子和辐射转移效应对解释弥散、低密度区域中CO谱线比值的影响。

提出的方法

• 使用SEST望远镜对LMC和SMC中的13个HII区进行高分辨率（40''光束）¹²CO J=1–0和J=2–1跃迁的映射观测。
• 利用积分亮度图和位置-速度切片分析云的形态、大小和运动学特征。
• 在不同亮度区间计算同位素亮度温度比I(¹²CO)/I(¹³CO)，以推断CO丰度和光学厚度的影响。
• 应用在局部热动平衡（LTE）假设下的辐射转移模型，通过变化光学厚度和光束填充因子来解释观测到的谱线比值。
• 将观测到的CO谱线比值与理论模型进行比较，以区分低CO丰度与光束填充效应的差异。
• 基于信噪比选择样本，以避免在低亮度区域（尤其是¹³CO探测）中产生偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大、小麦哲伦云中，CO发射分子云的尺寸和形态与它们所关联的HII区的范围相比如何？
• RQ2 观测到的I(¹²CO)/I(¹³CO)亮度温度比的成因是什么，特别是为何其值集中在10左右，且在低亮度时出现分散？
• RQ3 在低金属丰度环境中，¹²CO与¹³CO之间光束填充因子和光学厚度的差异在多大程度上影响同位素谱线比值的解释？
• RQ4 大、小麦哲伦云中的CO与H₂转换因子（X）与银河系的值相比如何？这对总分子质量估算有何含义？
• RQ5 CO光致解离在多大程度上影响了分子云外区同位素谱线比值的观测分布？

主要发现

• LMC和SMC中大多数CO发射云团都较为紧凑，典型尺寸为20 pc，且显著小于其相关的电离HII区。
• 大多数¹²CO/¹³CO亮度温度比约为10，表明大、小麦哲伦云中的CO丰度低于银河系，与低金属丰度和强辐射场一致。
• 在低¹²CO亮度时，同位素比值升高，表明由于金属贫乏环境缺乏屏蔽，云边缘处CO光致解离增强。
• 低亮度区域出现的低同位素比值归因于致密、冷的气体，其受光致解离影响较小，表明云内存在多种物理条件。
• 观测到的J=2–1/J=1–0谱线比值约为1.2，与低激发温度和中等光学厚度一致。
• 缺乏弥散、扩展的CO发射表明，大部分分子气体集中于离散的致密团块中，可能嵌入在光致辐射区（PDRs）内，暗示CO观测可能低估了总分子质量。