[论文解读] The IRAM M33 CO(2-1) Survey - A complete census of the molecular gas out to 7 kpc

C. Druard, J. Braine+12 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2014

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 50被引用 105

一句话总结

本文对M33星系完成了完整的高分辨率（12″；~50 pc）CO(2–1)巡天，将分子气体映射至7 kpc，每2.6 km s⁻¹通道的噪声为20.3 mK。利用H i数据定义速度基线，研究发现分子气体总质量为3.1 × 10⁸ M⊙，CO(2–1)/CO(1–0)线亮度比约为0.8，H₂面密度的概率密度函数显示高面密度过剩，可能源于自引力作用，且在误差波束拾取效应之外的H i贫乏区域未发现分子气体的证据。

ABSTRACT

In order to study the ISM and the interplay between the atomic and molecular components in a low-metallicity environment, we present a complete high angular and spectral resolution map and data cube of the 12CO(2-1) emission from the Local Group galaxy M33. Its metallicity is roughly half-solar, such that we can compare its ISM with that of the Milky Way with the main changes being the metallicity and the gas mass fraction. The data have a 12" angular resolution (50pc) with a spectral resolution of 2.6 km/s and a mean noise level of 20 mK per channel in antenna temperature. A radial cut along the major axis was also observed in the 12CO(1-0) line. The CO data cube and integrated intensity map are optimal when using HI data to define the baseline window and the velocities over which the CO emission is integrated. Great care was taken when building these maps, testing different windowing and baseline options and investigating the effect of error beam pickup. The total CO(2-1) luminosity is 2.8e7 K km/s pc2, following the spiral arms in the inner disk. There is no clear variation in the CO(2-1/1-0) intensity ratio with radius and the average value is roughly 0.8. The total molecular gas mass is estimated, using a N(H2)/Ico(1-0)=4e20 cm-2/(K km/s) conversion factor, to be 3.1e8 Msol. The CO spectra in the cube were shifted to zero velocity by subtracting the velocity of the HI peak from the CO spectra. Hence, the velocity dispersion between the atomic and molecular components is extremely low, independently justifying the use of the HI line in building our maps. Stacking the spectra in concentric rings shows that the CO linewidth and possibly the CO-HI velocity dispersion decrease in the outer disk. Using the CO(2-1) emission to trace the molecular gas, the probability distribution function of the H2 column density shows an excess at high column density above a log normal distribution.

研究动机与目标

• 在M33中进行一次完整、高灵敏度、高角分辨率的CO(2–1)发射映射，范围达7 kpc，以研究低金属丰度环境下的分子气体。
• 通过比较其速度结构和空间分布，探究原子（H i）与分子（CO）气体组分之间的关联。
• 通过使用H i数据作为基线，量化误差波束拾取效应，以评估低水平弥散CO发射的真实性。
• 使用CO-to-H₂转换因子确定分子气体质量与面密度分布，并研究盘面中CO(2–1)/CO(1–0)线亮度比的分布。
• 分析从CO发射推导出的H₂面密度概率分布函数（PDF），以探究自引力在分子云结构中的作用。

提出的方法

• 使用IRAM 30米望远镜和HERA接收机阵列，以12″角分辨率进行CO(2–1)巡天，覆盖2400″ × 3400″区域内的超过2000万个独立采样点。
• 利用H i谱线数据定义速度基线和积分窗口，以最小化基线误差，并提高CO发射的信噪比。
• 通过比较H i峰值亮度低于10 K区域的CO发射，量化误差波束拾取效应，评估检测到的CO是否为真实信号或仪器伪影。
• 采用仔细的基线和窗口处理技术生成CO(2–1)积分强度图和数据立方体，并通过多次还原试验进行验证。
• 通过排除噪声较大的边缘区域，从CO图中推导出H₂面密度PDF，并用对数正态函数拟合，以识别高面密度区域的偏离。
• 在整个数据集中测量CO(2–1)/CO(1–0)线亮度比，平均值为0.8。

实验结果

研究问题

• RQ1 在M33的H i贫乏区域是否检测到分子气体，还是观测到的CO发射源于H i线的误差波束拾取？
• RQ2 M33中的分子气体总质量是多少？其面密度分布随星系径向距离如何变化？
• RQ3 M33中原子气体与分子气体的速度 dispersion 如何比较？这对其动力学耦合意味着什么？
• RQ4 H₂面密度的概率分布函数（PDF）在高面密度区域是否偏离对数正态形式？如果是，何种物理机制可解释这一现象？
• RQ5 CO(2–1)/CO(1–0)线亮度比在M33中是否恒定，还是随半径或环境系统性变化？

主要发现

• 总CO(2–1)光度为2.8 × 10⁷ K km s⁻¹ pc²，使用N(H₂)/ICO(1–0) = 4 × 10²⁰ cm⁻²/(K km s⁻¹)转换因子，对应分子气体质量为3.1 × 10⁸ M⊙。
• 分子气体面密度随半径呈指数下降，标长为2.1 kpc。
• 当对整个盘面的谱线进行叠加时，CO(2–1)线的半高全宽为12.4 km s⁻¹，表明原子与分子气体组分之间具有极低的速度弥散。
• 在H i峰值亮度低于10 K的区域未检测到显著CO发射，表明这些区域观测到的CO发射与误差波束拾取一致，而非真实的分子气体。
• H₂面密度PDF在低面密度区域呈清晰的对数正态分布，但在∼1.7 × 10²¹ cm⁻²以上出现显著过剩，高面密度尾部的幂律斜率为s ≈ −2.4，可能源于自引力作用。
• CO(2–1)/CO(1–0)线亮度比在盘面中有所变化，但平均值为0.8，无系统性径向趋势，支持在全局质量估算中使用恒定比值。