[论文解读] The molecular gas reservoir of 6 low-metallicity galaxies from the Herschel Dwarf Galaxy Survey: A ground-based follow-up survey of CO(1-0), CO(2-1), and CO(3-2)

D. Cormier, S. C. Madden+15 more|Chalmers Publication Library (Chalmers University of Technology)|Jan 2, 2014

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 115被引用 60

一句话总结

本研究利用地面CO(1-0)、CO(2-1)和CO(3-2)观测，结合赫歇尔/PACS [C ii]和[O i]数据，调查了六种低金属度矮星系中的分子气体储层。尽管CO光度较低且[C ii]/CO比值较高（>7,000），当考虑总气体时，这些星系仍与施密特-肯尼库特关系一致，表明即使采用金属度校准的X_CO因子，分子气体耗尽时间也较短，暗示恒星形成效率可能涉及非分子气体相。

ABSTRACT

We aim to quantify the molecular gas reservoir in a subset of 6 low-metallicity galaxies from the Herschel Dwarf Galaxy Survey with newly acquired CO data, and link this reservoir to the observed star formation activity. We present CO(1-0), CO(2-1), and CO(3-2) observations obtained at the ATNF Mopra 22-m, APEX, and IRAM 30-m telescopes, as well as [CII] 157um and [OI] 63um observations obtained with the Herschel/PACS spectrometer in the 6 galaxies: Haro11, Mrk1089, Mrk930, NGC4861, NGC625, and UM311. We derive molecular gas mass from several methods including the use of the CO-to-H2 conversion factor Xco (both Galactic and metallicity-scaled values) and of dust measurements. The molecular and atomic gas reservoirs are compared to the star formation activity. We also constrain the physical conditions of the molecular clouds using the non-LTE code RADEX and the spectral synthesis code Cloudy. We detect CO in 5 of the 6 galaxies, including first detections in Haro11 (Z~0.4 Zsun), Mrk930 (0.2 Zsun), and UM311 (0.5 Zsun), but CO remains undetected in NGC4861 (0.2 Zsun). The CO luminosities are low while [CII] is bright in these galaxies, resulting in [CII]/CO(1-0)>10000. Our dwarf galaxies are in relatively good agreement with the Schmidt-Kennicutt relation for total gas. They show short molecular depletion time scales, even when considering metallicity-scaled Xco factors. Those galaxies are dominated by their HI gas, except Haro11 which has high star formation efficiency and is dominated by ionized and molecular gas. We determine the mass of each ISM phase in Haro11 using Cloudy and estimate an equivalent Xco factor which is 10 times higher than the Galactic value. Overall, our results confirm the emerging picture that CO suffers from significant selective photodissociation in low-metallicity dwarf galaxies.

研究动机与目标

• 通过赫歇尔矮星系巡天中的六种低金属度矮星系，量化其分子气体储层。
• 解决低金属度环境中活跃恒星形成与微弱CO发射之间的矛盾。
• 评估尽管CO光度较低，这些星系中分子气体耗尽 timescales 是否较短。
• 评估不同星际介质相——分子相、原子相、电离相——在调控低金属度矮星系恒星形成中的作用。
• 检验标准X_CO转换因子的有效性，并评估基于尘埃和辐射转移方法（如RADEX和Cloudy）估算分子质量的替代方法。

提出的方法

• 使用Mopra、APEX和IRAM 30米望远镜进行CO(1-0)、CO(2-1)和CO(3-2)谱线观测。
• 结合赫歇尔/PACS对[C ii] 157 μm和[O i] 63 μm精细结构线的光谱观测。
• 利用银河系X_CO因子和金属度校准的X_CO因子估算分子气体质量，同时采用基于尘埃的方法和使用RADEX与Cloudy的辐射转移建模。
• 将分子气体质量和原子气体质量与恒星形成速率进行比较，以评估施密特-肯尼库特关系。
• 使用Cloudy和RADEX约束分子云中的物理条件，包括密度、温度和填充因子。
• 通过比较不同望远镜波束尺寸下的结果，考虑波束稀释和源尺寸不确定性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何低金属度矮星系在CO发射微弱的情况下仍表现出强烈的恒星形成？
• RQ2 当标准X_CO因子不适用时，这些星系中真实的分子气体质量是多少？
• RQ3 [C ii]/CO光度比如何反映低金属度环境中的物理条件和气体加热效率？
• RQ4 原子相和电离相气体在这些星系中对恒星形成的贡献有多大？
• RQ5 低金属度矮星系中的分子气体耗尽 timescales 是否与高金属度旋涡星系不同？

主要发现

• 在六种星系中的五种检测到了CO，包括首次在Haro 11（Z ≈ 0.4 Z⊙）、Mrk 930（Z ≈ 0.2 Z⊙）和UM 311（Z ≈ 0.5 Z⊙）中检测到CO，而NGC 4861（Z ≈ 0.2 Z⊙）未被检测到。
• 所有检测到的星系中，[C ii]/CO(1-0)光度比均超过7,000，表明CO发射物质的填充因子较低，且[C ii]加热效率较高。
• 不同方法估算的分子气体质量差异显著：银河系X_CO因子预测了不切实际的低质量，而金属度校准的X_CO因子、基于尘埃的估算以及辐射转移建模则给出了更高且更一致的质量值，不确定性约为几倍。
• 尽管分子气体比例较低，所有星系——包括NGC 4861——在考虑总气体时仍与施密特-肯尼库特关系一致，表明恒星形成由总气体储备调控。
• 即使采用金属度校准的X_CO因子，分子气体耗尽时间也较短，表明恒星形成效率可能更高，或原子/电离气体对恒星形成有显著贡献。
• 在Haro 11中，该星系恒星形成效率高，且主要由电离气体和分子气体主导，其估算的X_CO因子比银河系值高10倍，表明分子云中存在极端光致分解或结构差异。