AUTHOR=Jiao Qian , Gao Yu , Tan Qinghua , Gao Yang 

TITLE=Dense gas star formation efficiency and the LHCN (4−3)′/LHCO+(4−3)′ ratio: insights from a statistical study of infrared bright star-forming galaxies

JOURNAL=Frontiers in Astronomy and Space Sciences

VOLUME=10

YEAR=2023

URL=https://www.frontiersin.org/journals/astronomy-and-space-sciences/articles/10.3389/fspas.2023.1246978

DOI=10.3389/fspas.2023.1246978

ISSN=2296-987X

ABSTRACT=<p>We present a statistical study on dense molecular gas tracers of HCN (4–3), HCO<sup>+</sup> (4–3) lines and molecular tracers of [C <sc>i</sc>], and CO observations for a sample of 26 infrared bright star-forming (SF) galaxies. We investigate the dependence of dense gas star formation efficiency traced by HCN (4–3), HCO<sup>+</sup> (4–3) (that is <inline-formula id="inf2"><mml:math id="m2" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>IR</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>HCN </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="inf3"><mml:math id="m3" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>IR</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="0.3333em" /><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>), and luminosity ratio of <inline-formula id="inf4"><mml:math id="m4" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>HCN </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="0.3333em" /><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> on [C <sc>i</sc>]-CO ratios of <inline-formula id="inf5"><mml:math id="m5" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtext>C I</mml:mtext><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mtext>0</mml:mtext><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>CO </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mtext>0</mml:mtext><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="inf6"><mml:math id="m6" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtext>C I</mml:mtext><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>CO </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mtext>0</mml:mtext><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="inf7"><mml:math id="m7" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtext>C I</mml:mtext><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtext>C I</mml:mtext><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mtext>0</mml:mtext><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> (hereafter <italic>R</italic><sub>[CI]</sub>) which are sensitive to interstellar medium conditions. Our findings show that both <inline-formula id="inf8"><mml:math id="m8" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>IR</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>HCN </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="inf9"><mml:math id="m9" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>IR</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="0.3333em" /><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> have moderate correlations with <inline-formula id="inf10"><mml:math id="m10" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtext>C I</mml:mtext><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>CO </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mtext>0</mml:mtext><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and <italic>R</italic><sub>[CI]</sub>, while <inline-formula id="inf11"><mml:math id="m11" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>HCN </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="0.3333em" /><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> does not show any significant correlations with any of the [C <sc>i</sc>]-CO ratios. We compare the <inline-formula id="inf12"><mml:math id="m12" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>HCN </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="0.3333em" /><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> ratios of AGN and SF galaxies, and find that although the higher <inline-formula id="inf13"><mml:math id="m13" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>HCN </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="0.3333em" /><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> ratios are mainly found in AGN, the majority of the <inline-formula id="inf14"><mml:math id="m14" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>HCN </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="0.3333em" /><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> values in SF galaxies are comparable to those in AGN. Based on our findings, it appears that the <inline-formula id="inf15"><mml:math id="m15" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>HCN </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="0.3333em" /><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> ratio may not be a reliable indicator of the presence of an AGN, although further investigation is needed to confirm this conclusion.</p>