The Physical Drivers and Observational Tracers of CO-to-H2 Conversion Factor Variations in Nearby Barred Galaxy Centers

Auteurs : Yu-Hsuan Teng, Karin M. Sandstrom, Jiayi Sun, Munan Gong, Alberto D. Bolatto, I-Da Chiang, Adam K. Leroy, Antonio Usero, Simon C. O. Glover, Ralf S. Klessen, Daizhong Liu, Miguel Querejeta, Eva Schinnerer, Frank Bigiel, Yixian Cao, Melanie Chevance, Cosima Eibensteiner, Kathryn Grasha, Frank P. Israel, Eric J. Murphy, Lukas Neumann, Hsi-An Pan, Francesca Pinna, Mattia C. Sormani, J. D. T. Smith, Fabian Walter, Thomas G. Williams

arXiv: 2304.04732v1 - DOI (astro-ph.GA)
Accepted for publication in ApJ; 30 pages of main text + 3 appendices

Résumé : The CO-to-H$_2$ conversion factor ($\alpha_\rm{CO}$) is central to measuring the amount and properties of molecular gas. It is known to vary with environmental conditions, and previous studies have revealed lower $\alpha_\rm{CO}$ in the centers of some barred galaxies on kpc scales. To unveil the physical drivers of such variations, we obtained ALMA Band 3, 6, and 7 observations toward the inner 2 kpc of NGC 3627 and NGC 4321 tracing $^{12}$CO, $^{13}$CO, and C$^{18}$O lines on 100 pc scales. Our multi-line modeling and Bayesian likelihood analysis of these datasets reveal variations of molecular gas density, temperature, optical depth, and velocity dispersion, which are among the key drivers of $\alpha_\rm{CO}$. The central 300 pc nuclei in both galaxies show strong enhancement of temperature $T_\rm{k}>100$ K and density $n_\rm{H_2}>10^3$ cm$^{-3}$. Assuming a CO-to-H$_2$ abundance of $3\times10^{-4}$, we derive 4-15 times lower $\alpha_\rm{CO}$ than the Galactic value across our maps, which agrees well with previous kpc-scale measurements. Combining the results with our previous work on NGC 3351, we find a strong correlation of $\alpha_\rm{CO}$ with low-J $^{12}$CO optical depths ($\tau_\rm{CO}$), as well as an anti-correlation with $T_\rm{k}$. The $\tau_\rm{CO}$ correlation explains most of the $\alpha_\rm{CO}$ variation in the three galaxy centers, whereas changes in $T_\rm{k}$ influence $\alpha_\rm{CO}$ to second order. Overall, the observed line width and $^{12}$CO/$^{13}$CO 2-1 line ratio correlate with $\tau_\rm{CO}$ variation in these centers, and thus they are useful observational indicators for $\alpha_\rm{CO}$ variation. We also test current simulation-based $\alpha_\rm{CO}$ prescriptions and find a systematic overprediction, which likely originates from the mismatch of gas conditions between our data and the simulations.

Soumis à arXiv le 10 Avr. 2023

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