跨越 J 阶梯和红移的恒星形成关系与 CO SLEDs

我们利用 Herschel SPIRE-FTS 和地面望远镜的数据，针对 62 个本地 (z < 0.1) (超) luminous 红外星系 ((U)LIRGs)，提出了从 J=1-0 到 J=13-12 的全 CO 旋转阶梯的 FIR-CO 光度关系 ($\log L_{\rm FIR} = \alpha \log L'_{\rm CO} + \beta$)。我们通过纳入文献中 35 个具有可靠 CO 观测数据的 (亚) 毫米波选定的 dusty 恒星形成星系，将样本扩展至高红移 (z > 1)。高红移处明亮星暴星系的加入扩大了 FIR-CO 光度关系向高红外光度端的范围，同时也显著增加了 Herschel 之前可用的少量中/高 J CO 谱线数据。这一新数据集（就红外光度和 J 阶梯而言）揭示了从 J=1-0 到 J=5-4 的线性 FIR-CO 光度关系 ($\alpha \sim 1$)，且具有近乎恒定的归一化常数 ($\beta \sim 2$)。只要致密气体质量分数在我们以并合/星暴为主的样本中没有强烈变化，这正是致密气体示踪谱线 (HCN 和 CS) 所发现的（也是）线性 FIR-(分子谱线) 关系所预期的。然而，从 J=6-5 到 J=13-12，我们发现斜率越来越亚线性，且归一化常数随 J 增加而升高。我们认为这是由温暖 (~100K) 且致密 ($>10^4{\rm cm^{-3}}$) 的气体成分引起的，其热状态不太可能由恒星形成驱动的远紫外辐射场维持（因此不再直接与恒星形成率挂钩）。我们提出，机械加热（例如超新星驱动的湍流和激波），而非宇宙射线，是该成分更可能的能量来源。全局 CO 谱线能量分布 (SLEDs) 在从 J=6-5 到 J=13-12 范围内保持高度激发，被发现在我们样本的 (U)LIRGs 中是一个普遍特征，进一步支持了该气体成分的存在。