Gao & Solomon 2004

Abstract

HCN luminosity is a tracer of dense molecular gas, n(H2) ≳ 3 × 104 cm-3, associated with star-forming giant molecular cloud (GMC) cores. We present the results and analysis of our survey of HCN emission from 65 infrared galaxies, including nine ultraluminous infrared galaxies (ULIGs, LIR ≳ 1012 L☉), 22 luminous infrared galaxies (LIGs, 1011 L☉ < LIR ≲ 1012 L☉), and 34 normal spiral galaxies with lower IR luminosity (most are large spiral galaxies). We have measured the global HCN line luminosity, and the observations are reported in Paper I. This paper analyzes the relationships between the total far-IR luminosity (a tracer of the star formation rate), the global HCN line luminosity (a measure of the total dense molecular gas content), and the CO luminosity (a measure of the total molecular content). We find a tight linear correlation between the IR and HCN luminosities LIR and LHCN (in the log-log plot) with a correlation coefficient R = 0.94, and an almost constant average ratio LIR/LHCN = 900 L☉ (K km s-1 pc2)-1. The IR-HCN linear correlation is valid over 3 orders of magnitude including ULIGs, the most luminous objects in the local universe. The direct consequence of the linear IR-HCN correlation is that the star formation law in terms of dense molecular gas content has a power-law index of 1.0. The global star formation rate is linearly proportional to the mass of dense molecular gas in normal spiral galaxies, LIGs, and ULIGs. This is strong evidence in favor of star formation as the power source in ultraluminous galaxies since the star formation in these galaxies appears to be normal and expected given their high mass of dense star-forming molecular gas.

The HCN-CO correlation is also much tighter than the IR-CO correlation. We suggest that the nonlinear correlation between LIR and LCO may be a consequence of the stronger and perhaps more physical correlations between LIR and LHCN and between LHCN and LCO. Thus, the star formation rate indicated by LIR depends on the amount of dense molecular gas traced by HCN emission, not the total molecular gas traced by CO emission. One of the main arguments in favor of an active galactic nucleus (AGN) as the power source in ULIGs is the anomalously high ratio LIR/LCO or LIR/M(H2) or high star formation rate per M☉ of gas, compared with that from normal spiral galaxies. This has been interpreted as indicating that a dust-enshrouded AGN is required to produce the very high luminosity. Viewed in terms of the dense gas mass the situation is completely different. The ratio LIR/LHCN or LIR/Mdense, a measure of the star formation rate per solar mass of dense gas, is essentially the same in all galaxies including ULIGs. The ratio LIR/Mdense is virtually independent of galaxy luminosity and on average LIR/Mdense ≈ 90L☉/M☉, about the same as in GMC cores but much higher than in GMCs. We find that ULIGs simply have a large quantity of dense molecular gas and thus produce a prodigious starburst that heats the dust, produces the IR, and blocks all or most optical radiation. The HCN global luminosity may be used as an indicator of the star formation rate in high-redshift objects including hyperluminous galaxies.

The HCN/CO ratio is an indicator of the dense molecular gas fraction and gauges the globally averaged molecular gas density. We find that the HCN/CO ratio is a powerful starburst indicator. All galaxies in our sample with a high dense gas mass fraction indicated by LHCN/LCO > 0.06 are LIGs or ULIGs. Normal spirals all have similar and low dense gas fractions LHCN/LCO = 0.02-0.05. The global star formation efficiency depends on the fraction of the molecular gas in a dense phase.

Open Paper

Memo

• GMCの高密度コアだけが星形成を担うというMW内の知見と、CO由来のSFEが銀河間で100倍変動するという事実は、全分子ガス量（CO）よりも高密度ガス量（HCN）が星形成率の本質的なトレーサーであることを示唆する
• Solomon+92などから、星形成効率はCOで測った全分子ガス量ではなく $L_{\mathrm{HCN}}/L_{\mathrm{CO}}$ （高密度ガスの割合）と相関しており、COのみでは高密度ガスの実態を正確に反映できないことが示唆される
• $L_{\mathrm{IR}}–L_{\mathrm{HCN}}$ 相関は3桁にわたって線形かつタイトに成立するのに対し、$L_{\mathrm{IR}}–L_{\mathrm{CO}}$ 相関は高輝度銀河で傾きが急になり散らばりも大きく、HCNがCOより普遍的な星形成トレーサーであることが示された
• 通常渦巻き銀河では $L_{\mathrm{HCN}}\propto L_{\mathrm{CO}}$（傾き1・散らばり極小）が成立するため、FIR–HCN線形相関を通じてFIR–CO相関も間接的に線形となり、COがSFRをある程度予測できるのはこの二次的な連鎖によるものと説明される
• LIG/ULIGはCO光度に比べてHCN光度が系統的に過剰であり、$L_{\mathrm{HCN}}/L_{\mathrm{CO}}>0.06$ という閾値がスターバースト銀河を100%の精度で識別できることが示された
• 高 $L_{\mathrm{HCN}}/L_{\mathrm{CO}}$ 比は必ずLIG/ULIGを指し示すが、その逆は成り立たず、一部のLIGは膨大な総分子ガス量による高LIRを持ちながらも通常のHCN/CO比・星形成効率を示すガス豊富な「非スターバースト」銀河である
• $L_{\mathrm{CO}}$ 規格化でSFEと高密度ガス割合の相関が確認される一方、$L_{\mathrm{HCN}}$ 規格化によってIR–CO相関が完全に消滅（R² = 0.01）することは、IR–CO相関が物理的独立性を欠き、より本質的なIR–HCN相関とHCN–CO相関の間接的合成に過ぎないことを示す
• $L_{\mathrm{IR}}/L_{\mathrm{CO}}$ はダスト温度に対して指数5.7で強く依存しサンプル内で13倍変動するのに対し、$L_{\mathrm{IR}}/L_{\mathrm{HCN}}$ は指数1.8で弱くしか依存せず2倍しか変動しないことから、HCN基準の星形成効率はダスト温度の影響をほとんど受けない普遍的な指標であることが示された
• HCN放射と高 $T_{\mathrm{dust}}$ はともに高密度分子ガスという同一の物理的原因から生じているため、$L_{\mathrm{IR}}/L_{\mathrm{HCN}}$ で $T_{\mathrm{dust}}$ の効果が内因的にキャンセルされる
• IR–HCN相関のタイトさはFIR放射がHCN放射領域（＝高密度ガスコア＝星形成現場）から来ることを示唆しており、HCNの空間マッピングによってFIR放射領域のサイズと位置を予測できると考えられる
• HCNによるガス質量 $M_{\mathrm{dense}}$ に対し ${\dot{M}}_{\mathrm{SFR}}\propto M_{\mathrm{dense}}$ であり、COによるガス質量との関係則とは指数が異なる（Kennicutt+98a、指数1.4）が、これは通常銀河とスターバーストを混合したことによって生じた超線形性と考えられる
• HCN/CO比は高密度ガス割合と平均ガス密度を同時に反映し、スターバーストの有無を0.06という閾値で識別できる上、AGNの寄与・速度混乱・空間分解能の問題を抱えるIR/CO比より物理的に直接的かつ観測的に優れた星形成診断指標である
• 通常渦巻き銀河でもHCN/CO比は中心核でULIGs並みの〜0.1に達するが、半径3 kpc以遠ではMW円盤と同じ〜0.015–0.03まで急落し、ULIGsの高いグローバルHCN/CO比は銀河全体が通常銀河の核と同様の高密度状態にあることを反映している
• ULIGSの $L_{\mathrm{IR}}/L_{\mathrm{CO}}$ の異常な高さは従来研究でAGNの証拠とされてきたが、AGNを持ち出さなくとも高密度ガス量の増大で完全に説明できる
• ローカルのIR–HCN相関およびHCN–CO相関を使えば高赤方偏移銀河の $L_{\mathrm{HCN}}$ を予測でき、また $L_{\mathrm{HCN}}/L_{\mathrm{CO}}\lesssim 1$ という物理的上限からスターバーストが出せる $L_{\mathrm{IR}}$ の最大値を制限できるなど、HCNの直接検出はhigh-z銀河のスターバースト対AGN問題の決定的な判定ツールになりうる

observation analysis nearby_galaxy reference