[论文解读] The VLT-UVES survey for molecular hydrogen in high-redshift damped Lyman-alpha systems

C. Ledoux, P. Petitjean+1 more|CERN Bulletin|Feb 28, 2003

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 197

一句话总结

本研究通过VLT-UVES巡天调查高红移氘化莱曼-阿尔法（DLA）系统中的分子氢（H₂），在33个红移z > 1.8的系统中检测到H₂的占比为13–20%。研究发现，H₂主要存在于高金属丰度和大尘埃耗竭因子的系统中，表明分子含量与尘埃存在之间存在强烈关联，分子分数通常为log f < -1，且常低至log f < -6，提示高温或强烈的紫外辐射抑制了H₂的形成。

ABSTRACT

We have searched for molecular hydrogen in damped Lyman-alpha (DLA) and sub-DLA systems at z&gt;1.8 using UVES at the VLT. Out of the 33 systems in our sample, 8 have firm and 2 have tentative detections of associated H2 absorption lines. Considering that 3 detections were already known from past searches, H2 is detected in 13 to 20 percent of the newly-surveyed systems. We report new detections of molecular hydrogen at z=2.087 and 2.595 toward, respectively, Q 1444+014 and Q 0405-443, and also reanalyse the system at z=3.025 toward Q 0347-383. We find that there is a correlation between metallicity and depletion factor in both our sample and also the global population of DLA systems (60 systems in total). The DLA and sub-DLA systems where H2 is detected are usually amongst those having the highest metallicities and the largest depletion factors. Moreover, the individual components where H2 is detected have depletion factors systematically larger than other components in the profiles. In two different systems, one of the H2-detected components even has [Zn/Fe]&gt;=1.4. These are the largest depletion factors ever seen in DLA systems. All this clearly demonstrates the presence of dust in a large fraction of the DLA systems. The mean H2 molecular fraction is generally small in DLA systems and similar to what is observed in the Magellanic Clouds. From 58 to 75 percent of the DLA systems have log f1000 K) and/or the ionizing flux is enhanced relative to what is observed in our Galaxy.

研究动机与目标

• 利用高分辨率光谱学搜索高红移氘化莱曼-阿尔法（DLA）和亚-DLA系统中的分子氢（H₂）。
• 确定DLA系统中H₂检测结果与金属丰度及尘埃耗竭之间的关系。
• 评估尘埃和紫外辐射在高红移星际介质中抑制H₂形成的作用。
• 将检测到H₂的系统中的物理条件与更广泛的DLA群体以及大、小麦哲伦云进行比较。
• 评估DLA样本是否对高尘埃含量和高金属丰度的系统存在选择性偏差。

提出的方法

• 利用帕拉纳天文台VLT望远镜上的UVES阶梯光谱仪，获取33个高红移DLA和亚-DLA系统的高分辨率光谱。
• 通过吸收线拟合检测H₂的转动能级跃迁，检测极限为N(H₂) ≈ 2×10¹⁴ cm⁻²。
• 以Zn、S或Si作为参考元素，测量金属丰度[X/H]，并推导Fe及其他元素的耗竭因子[X/Fe]。
• 计算分子分数f = 2N(H₂)/[2N(H₂) + N(H i)]，以评估分子氢相对于原子氢的相对丰度。
• 将检测到H₂的组分与同一系统中的未检测组分进行比较，评估局部条件。
• 分析整个样本及整体DLA群体（60个系统）中金属丰度、耗竭因子与H₂检测之间的相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高红移DLA系统中，H₂检测是否与金属丰度或尘埃耗竭存在相关性？
• RQ2 何种物理条件（如温度、紫外辐射场）可解释大多数DLA系统中观测到的低分子分数？
• RQ3 H₂含量较高的DLA系统是否系统性地表现出比一般DLA群体更高的耗竭因子和金属丰度？
• RQ4 DLA样本对高尘埃含量和高金属丰度系统的偏差程度如何？
• RQ5 DLA系统中的H₂丰度与大、小麦哲伦云及银河系盘面中的H₂丰度相比如何？

主要发现

• 在8个系统中获得确凿检测结果，2个系统获得疑似检测结果，占新调查样本的13–20%。
• H₂主要存在于金属丰度最高和耗竭因子最大的系统中，所有五个具有最大[Zn/Fe]值的系统均检测到H₂。
• 某一系统中耗竭因子最高的组分达到[Zn/Fe] ≥ 1.4，为迄今在DLA系统中观测到的最大值。
• 平均分子分数f通常满足log f < -1，且58–75%的DLA系统满足log f < -6，表明分子氢相对于原子氢的丰度极低。
• H₂丰度与H i柱密度之间无相关性，因为有两个H₂检测到的系统满足log N(H i) < 20.3，被归类为亚-DLA。
• 低分子分数与高温气体（T > 1000 K）和/或增强的紫外辐射场一致，与大、小麦哲伦云中的条件相似。