自调节星际介质中 $X_{\rm CO}$ 对金属丰度、强度与空间尺度的依赖

我们在自调节多相星际介质的高分辨率（约 0.2 pc）流体动力学模拟中，研究了跨越宽广金属丰度范围（$0.1 \leq Z/Z_\odot \leq 3$）的 CO(1-0)-到-H$_2$ 转换因子（$X_{\rm CO}$）以及 CO(2-1)-到-CO(1-0) 线比（$R_{21}$）。我们通过辐射转移构建合成 CO 发射图，并系统性地改变“观测”束大小以量化尺度依赖。我们发现，若假设稳态化学或假设成星气体以 H$_2$ 为主，kpc 尺度的 $X_{\rm CO}$ 在低 $Z$ 下可能被高估。在秒差距尺度上，$X_{\rm CO}$ 因地而异可达数个量级之差，主要由原子碳到 CO 的转捩驱动。一旦尘埃屏蔽生效，pc 尺度 $X_{\rm CO}$ 降至银河系值 $2\times 10^{20}\ {\rm cm^{-2}~(K~km~s^{-1})^{-1}}$，与 $Z$ 无关。CO 谱线在较低 $Z$ 下愈发光学薄，导致更高的 $R_{21}$。大部分云区由具有高 $X_{\rm CO}$ 和低 $R_{21}$ 的弥漫气体填充，而大部分 CO 发射源自具有低 $X_{\rm CO}$ 和高 $R_{21}$ 的致密气体。采用恒定 $X_{\rm CO}$ 会强烈高估（低估）致密（弥漫）气体中的 H$_2$。谱线强度与 $X_{\rm CO}$（$R_{21}$）呈负（正）相关，因其分别为柱密度（体密度）的代理量。在大尺度上，$X_{\rm CO}$ 与 $R_{21}$ 由束平均主导，并自然偏向致密气体中的值。我们预测的 $X_{\rm CO}$ 是 $Z$、谱线强度和束大小的多变量函数，可用于更准确地推断 H$_2$ 质量。