Volume Density Structure of the Central Molecular Zone NGC 253 through ALCHEMI Excitation Analysis

Abstract

Abstract We present a spatially resolved excitation analysis for the central molecular zone (CMZ) of the starburst galaxy NGC 253 using the data from the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array Comprehensive High-resolution Extragalactic Molecular Inventory, whereby we explore parameters distinguishing NGC 253 from the quiescent Milky Way’s Galactic center (GC). Non-LTE analyses employing a hierarchical Bayesian framework are applied to Band 3–7 transitions from nine molecular species to delineate the position–position–velocity distributions of column density ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>N</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> ), volume density ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>n</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> ), and temperature ( T kin ) at 27 pc resolution. Two distinct components are detected: a low-density component with <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mo stretchy="false">(</mml:mo> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>n</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>T</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>kin</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo stretchy="false">)</mml:mo> <mml:mo>∼</mml:mo> <mml:mo stretchy="false">(</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mn>10</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>3.3</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mspace width="0.33em"/> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>cm</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mn>85</mml:mn> <mml:mspace width="0.33em"/> <mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi> <mml:mo stretchy="false">)</mml:mo> </mml:math> and a high-density component with <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mo stretchy="false">(</mml:mo> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>n</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>T</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>kin</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo stretchy="false">)</mml:mo> <mml:mspace width="0.25em"/> <mml:mo>∼</mml:mo> <mml:mo stretchy="false">(</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mn>10</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>4.4</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mspace width="0.33em"/> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>cm</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mn>110</mml:mn> <mml:mspace width="0.33em"/> <mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi> <mml:mo stretchy="false">)</mml:mo> </mml:math> , separated at <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>n</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>∼</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mn>10</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>3.8</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mspace width="0.33em"/> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>cm</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup>