[论文解读] VLT/UVES observations of extremely strong intervening damped Lyman-alpha systems: Molecular hydrogen and excited carbon, oxygen and silicon at log N(HI)=22.4

P. Noterdaeme, R. Srianand+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2015

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 91被引用 42

一句话总结

本研究利用VLT/UVES对三个极其强烈的衰减莱曼-阿尔法系统（DLAs）进行了高分辨率光谱观测，其H I柱密度达到迄今在高红移中间隔系统中测得的最高值（log N(HI) = 22.4）。研究检测到分子氢（H₂）以及C I、O I和Si II的激发精细结构能级，揭示了存在冷密的H₂承载气体（T ~ 80 K）和更温暖的相（T ≥ 1000 K）的多相气体结构，后者可解释高激发态的形成。关键发现是：在假设太阳[ C/O ]的模型中，C I显著过量，表明碳丰度较低（可能[ C/O ] ~ -0.7），与银河系晕星类似，暗示存在尘埃消耗或核合成产额较低。

ABSTRACT

We present a detailed analysis of three extremely strong intervening DLAs (log N(HI)>=21.7) observed towards quasars with VLT/UVES. We measure overall metallicities of [Zn/H]~-1.2, -1.3 and -0.7 at respectively zabs=2.34 towards SDSS J2140-0321 (log N(HI) = 22.4+/-0.1), zabs=3.35 towards SDSS J1456+1609 (log N(HI) = 21.7+/-0.1) and zabs=2.25 towards SDSS J0154+1935 (log N(HI) = 21.75+/-0.15). We detect H2 towards J2140-0321 (log N(H2) = 20.13+/-0.07) and J1456+1609 (log N(H2) = 17.10+/-0.09) and argue for a tentative detection towards J0154+1935. Absorption from the excited fine-structure levels of OI, CI and SiII are detected in the system towards J2140-0321, that has the largest HI column density detected so far in an intervening DLA. This is the first detection of OI fine-structure lines in a QSO-DLA, that also provides us a rare possibility to study the chemical abundances of less abundant atoms like Co and Ge. Simple single phase photo-ionisation models fail to reproduce all the observed quantities. Instead, we suggest that the cloud has a stratified structure: H2 and CI likely originate from both a dense (log nH~2.5-3) cold (80K) and warm (250K) phase containing a fraction of the total HI while a warmer (T>1000 K) phase probably contributes significantly to the high excitation of OI fine-structure levels. The observed CI/H2 column density ratio is surprisingly low compared to model predictions and we do not detect CO molecules: this suggests a possible underabundance of C by 0.7 dex compared to other alpha elements. The absorber could be a photo-dissociation region close to a bright star (or a star cluster) where higher temperature occurs in the illuminated region. Direct detection of on-going star formation through e.g. NIR emission lines in the surrounding of the gas would enable a detailed physical modelling of the system.

研究动机与目标

• 研究极高柱密度中间隔衰减莱曼-阿尔法系统（ESDLAs）的物理条件与化学成分，其log N(HI) ≥ 21.7。
• 确定这些高柱密度系统中分子氢（H₂）以及C I、O I和Si II激发精细结构能级的存在与丰度。
• 评估观测到的激发态水平与元素丰度是否可由标准光致电离模型解释，特别关注一氧化碳（C I）柱密度的差异。
• 探讨数据对吸收气体多相结构及其与原位恒星形成关联的启示。

提出的方法

• 利用位于智利帕拉纳天文台的VLT/UVES仪器，进行高分辨率紫外与光学光谱观测，项目编号091.A-0370(A)。
• 分析紫外与光学波段的吸收线，测量H I、H₂、C I、O I、Si II及其他元素的柱密度。
• 使用CLOUDY光致电离代码模拟吸收气体的物理条件（温度、密度、电离率），并预测柱密度。
• 将观测到的柱密度与模型预测进行比较，以约束气体温度、密度、电离率及元素丰度。
• 通过测试低于太阳的[ C/O ]比值（基于晕星与低金属丰度DLA的观测），评估尘埃消耗对碳丰度的影响。
• 评估C II λ1334致宽翼的可探测性，以约束C II柱密度，尽管光谱信噪比较低。

实验结果

研究问题

• RQ1 在log N(HI) = 22.4的ESDLA中，吸收气体的物理温度与密度结构如何？
• RQ2 为何观测到的C I柱密度显著高于标准光致电离模型在假设太阳[ C/O ]时的预测？
• RQ3 O I与Si II的高激发态是否可由不参与H₂或Cl I吸收的温相解释？
• RQ4 气体成分是否与低碳丰度（如[ C/O ] ~ -0.7）一致，如银河系晕星所见？
• RQ5 原位恒星形成在塑造吸收气体的多相结构与激发态中起何作用？

主要发现

• J2140−0321方向的系统表现出迄今在高红移中间隔DLA中测得的最高H I柱密度，log N(HI) = 22.4。
• 分子氢（H₂）在两个ESDLAs（J2140−0321与J1456+1609）中被确凿检测到，且在第三个系统（J0154+1935）中很可能存在，表明强DLA中H₂的检测率很高。
• H₂与温度约80 K、log n_H ~ 2.5–3的冷密相相关，与自遮蔽及低温化学一致。
• O I与Si II的激发精细结构能级要求存在一个更温暖的相（T ≥ 1000 K），该相不参与H₂或Cl I吸收，表明存在多相结构。
• 尽管包含多个相，若假设太阳[ C/O ]，模型仍会过量产生C I，表明真实[ C/O ]比值可能远低于太阳（可能~ -0.7），与银河系晕星的观测一致。
• 数据表明，吸收气体很可能位于星系形成区附近（影响参数<10 kpc），与原位恒星形成加热并电离气体的结论一致。