[论文解读] Spotting high-z molecular absorbers using neutral carbon: Results from a complete spectroscopic survey with the VLT

P. Noterdaeme, C. Ledoux+5 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Jan 25, 2018

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 43被引用 25

一句话总结

本研究对通过中性碳（C I）线选出的39个高红移类星体吸收体进行了完整的光谱调查，发现其中12个系统存在H₂（7个新发现），7个系统存在CO，且N(CO)与N(C I)之间存在显著相关性（r = 0.88）。结果证实，C I选中的系统能比H I–H₂跃迁探测到更深的分子气体，因此C I是高红移处高金属丰度分子吸收体的有效代理指标。

ABSTRACT

While molecular quasar absorption systems provide unique probes of the physical and chemical properties of the gas as well as original constraints on fundamental physics and cosmology, their detection remains challenging. Here we present the results from a complete survey for molecular gas in thirty-nine absorption systems selected solely upon the detection of neutral carbon lines in SDSS spectra, without any prior knowledge of the atomic or molecular gas content. H2 is found in all twelve systems (including seven new detections) where the corresponding lines are covered by the instrument setups and measured to have log N(H2)>=18, indicating a self-shielded regime. We also report seven CO detections (7/39) down to log N(CO)~13.5, including a new one, and put stringent constraints on N(CO) for the remaining 32 systems. N(CO) and N(CI) are found to be strongly correlated with N(CO)/N(CI)~1/10. This suggests that the CI-selected absorber population is probing gas deeper than the HI-H2 transition in which a substantial fraction of the total hydrogen in the cloud is in the form of H2. We conclude that targeting CI-bearing absorbers is a very efficient way to find high-metallicity molecular absorbers. However, probing the molecular content in lower metallicity regimes as well as high column density neutral gas remains to be undertaken to unravel the processes of gas conversion in normal high-z galaxies

研究动机与目标

• 利用甚大望远镜（VLT）仪器对39个通过C I选中的高红移吸收体进行完整后续调查，以探测其分子成分。
• 检验C I吸收是否可作为识别高红移星系中分子气体的可靠代理指标。
• 确定这些系统中的物理条件和分子丰度，特别是CO与H₂的柱密度。
• 研究C I、CO与H₂柱密度之间的关系，评估其对高红移云层中星际介质结构与遮蔽效应的启示。
• 评估C I选中法在探测分子吸收体方面相较于传统H₂或CO基搜索方法的效率。

提出的方法

• 基于中性碳线检测结果，从SDSS巡天中选出39个C I吸收体，且此前未知其原子或分子成分。
• 利用甚大望远镜（VLT）上的UVES（R ~ 50,000）和X-shooter（R ~ 5,000）进行高分辨率光谱观测，以探测H₂与CO谱线。
• 通过吸收线轮廓测量N(H₂)、N(CO)与N(C I)，并在适用时应用辐射转移与激发态建模。
• 使用统计相关性分析（Spearman等级相关）评估N(CO)与N(C I)之间的关系，包括上下限值。
• 通过尘埃消光与金属丰度指标评估吸收体云层的物理条件与遮蔽程度。
• 通过与理论云模型比较，评估CO/H₂丰度比及其与金属丰度和遮蔽程度的关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 C I吸收能否作为识别高红移分子吸收体的可靠选择标准？
• RQ2 在C I选中的系统中，CO与C I柱密度之间存在何种相关性？其对吸收气体物理结构有何启示？
• RQ3 C I选中系统中H₂与CO的柱密度与其它DLA族群相比如何？这揭示了分子气体分布的何种特征？
• RQ4 CO检测与高C I柱密度的相关性如何？是否存在一个N(C I)阈值，超过后CO检测概率显著上升？
• RQ5 高红移分子吸收体中CO/H₂丰度比是多少？其随金属丰度与遮蔽程度如何变化？

主要发现

• 在39个C I选中的系统中，12个检测到H₂（包括7个新发现），log N(H₂) ≥ 18，表明存在自遮蔽的分子气体。
• 在39个系统中检测到7个CO，检测极限低至log N(CO) ~ 13.5，且N(CO)与N(C I)之间存在强烈相关性（Spearman r = 0.88，显著性2.6σ）。
• 当N(C I) > ~5 × 10¹⁴ cm⁻²时，CO检测概率显著提高（6/12次检测），而18个log N(C I) < 14.4的系统中无CO检测。
• 所有检测中CO/C I丰度比恒定约为0.1，表明C I选中的系统探测到了比H I–H₂跃迁层更深的气体。
• 在同时检测到CO与H₂的系统中，CO/H₂比值较低（~[3–9] × 10⁻⁶），表明即使在高H₂系统中，CO也并非总能可靠追踪总H₂质量。
• 含CO的系统表现出系统性更高的尘埃消光，支持其存在致密、受屏蔽的分子核心。