We present a far-ultraviolet (PDR) and an X-ray dominated region (XDR) code. We include and discuss thermal and chemical processes that pertain to irradiated gas. An elaborate chemical network is used and a careful treatment of PAHs and H2 formation, destruction and excitation is included. For both codes we calculate four depth-dependent models for different densities and radiation fields, relevant to conditions in starburst galaxies and active galactic nuclei. A detailed comparison between PDR and XDR physics is made for total gas column densities between ~1020 and ~1025 cm-2. We show cumulative line intensities for a number of fine-structure lines (e.g., [CII], [OI], [CI], [SiII], [FeII]), as well as cumulative column densities and column density ratios for a number of species (e.g., CO/H2, CO/C, HCO+/HCN, HNC/HCN). The comparison between the results for the PDRs and XDRs shows that column density ratios are almost constant up to for XDRs, unlike those in PDRs. For example, CO/C in PDRs changes over four orders of magnitude from the edge to . The CO/C and CO/H2 ratios are lower in XDRs at low column densities and rise at . At most column densities , HNC/HCN ratios are lower in XDRs too, but they show a more moderate increase at higher NH.

Aims.We present a comparison between independent computer codes, modeling the physics and chemistry of interstellar photon dominated regions (PDRs). Our goal was to understand the mutual differences in the PDR codes and their effects on the physical and chemical structure of the model clouds, and to converge the output of different codes to a common solution.

We present a full high resolution SPIRE FTS spectrum of the nearby ultraluminous infrared galaxy Mrk231. In total 25 lines are detected, including CO J=5-4 through J=13-12, 7 rotational lines of H2O, 3 of OH+ and one line each of H2O+, CH+, and HF. We find that the excitation of the CO rotational levels up to J=8 can be accounted for by UV radiation from star formation. However, the approximately flat luminosity distribution of the CO lines over the rotational ladder above J=8 requires the presence of a separate source of excitation for the highest CO lines. We explore X-ray heating by the accreting supermassive black hole in Mrk231 as a source of excitation for these lines, and find that it can reproduce the observed luminosities. We also consider a model with dense gas in a strong UV radiation field to produce the highest CO lines, but find that this model strongly overpredicts the hot dust mass in Mrk231. Our favoured model consists of a star forming disk of radius 560 pc, containing clumps of dense gas exposed to strong UV radiation, dominating the emission of CO lines up to J=8. X-rays from the accreting supermassive black hole in Mrk231 dominate the excitation and chemistry of the inner disk out to a radius of 160 pc, consistent with the X-ray power of the AGN in Mrk231. The extraordinary luminosity of the OH+ and H2O+ lines reveals the signature of X-ray driven excitation and chemistry in this region.

We propose a set of standard assumptions for the modelling of Class II and III protoplanetary disks, which includes detailed continuum radiative transfer, thermo-chemical modelling of gas and ice, and line radiative transfer from optical to cm wavelengths. We propose new standard dust opacities for disk models, we present a simplified treatment of PAHs sufficient to reproduce the PAH emission features, and we suggest using a simple treatment of dust settling. We roughly adjust parameters to obtain a model that predicts typical Class II T Tauri star continuum and line observations. We systematically study the impact of each model parameter (disk mass, disk extension and shape, dust settling, dust size and opacity, gas/dust ratio, etc.) on all continuum and line observables, in particular on the SED, mm-slope, continuum visibilities, and emission lines including [OI] 63um, high-J CO lines, (sub-)mm CO isotopologue lines, and CO fundamental ro-vibrational lines. We find that evolved dust properties (large grains) often needed to fit the SED, have important consequences for disk chemistry and heating/cooling balance, leading to stronger emission lines in general. Strong dust settling and missing disk flaring have similar effects on continuum observations, but opposite effects on far-IR gas emission lines. PAH molecules can shield the gas from stellar UV radiation because of their strong absorption and negligible scattering opacities. The observable millimetre-slope of the SED can become significantly more gentle in the case of cold disk midplanes, which we find regularly in our T Tauri models. We propose to use line observations of robust chemical tracers of the gas, such as O, CO, and H2, as additional constraints to determine some key properties of the disks, such as disk shape and mass, opacities, and the dust/gas ratio, by simultaneously fitting continuum and line observations.

We present a catalogue of nearly 3,000 submillimetre sources detected at 850um over ~5 square degrees surveyed as part of the James Clerk Maxwell Telescope (JCMT) SCUBA-2 Cosmology Legacy Survey (S2CLS). This is the largest survey of its kind at 850um, probing a meaningful cosmic volume at the peak of star formation activity and increasing the sample size of submillimetre galaxies selected at 850um by an order of magnitude. We describe the wide 850um survey component of S2CLS, which covers the key extragalactic survey fields: UKIDSS-UDS, COSMOS, Akari-NEP, Extended Groth Strip, Lockman Hole North, SSA22 and GOODS-North. The average 1-sigma depth of S2CLS is 1.2 mJy/beam, approaching the SCUBA-2 850um confusion limit, which we determine to be ~0.8 mJy/beam. We measure the single dish 850um number counts to unprecedented accuracy, reducing the Poisson errors on the differential counts to approximately 4% at S_850~3mJy. With several independent fields, we investigate field-to-field variance, finding that the number counts on 0.5-1 degree scales are generally within 50% of the S2CLS mean for S_850>3mJy, with scatter consistent with the Poisson and estimated cosmic variance uncertainties, although there is a marginal (2-sigma) density enhancement in the GOODS-North field. The observed number counts are in reasonable agreement with recent phenomenological and semi-analytic models. Finally, the large solid angle of S2CLS allows us to measure the bright-end counts: at S_850>10mJy there are approximately ten sources per square degree, and we detect the distinctive up-turn in the number counts indicative of the detection of local sources of 850um emission and strongly lensed high-redshift galaxies. Here we describe the data collection and reduction procedures and present calibrated maps and a catalogue of sources; these are made publicly available.

We present the first results of a survey of the [CII]158um emission line in 241 luminous infrared galaxies (LIRGs) comprising the Great Observatories All-sky Survey (GOALS) sample, obtained with the PACS instrument on board Herschel. The [CII] luminosities of the LIRGs in GOALS range from ~10^7 to 2x10^9 Lsun. We find that LIRGs show a tight correlation of [CII]/FIR with far-IR flux density ratios, with a strong negative trend spanning from ~10^-2 to 10^-4, as the average temperature of dust increases. We find correlations between the [CII]/FIR ratio and the strength of the 9.7um silicate absorption feature as well as with the luminosity surface density of the mid-IR emitting region (Sigma_MIR), suggesting that warmer, more compact starbursts have substantially smaller [CII]/FIR ratios. Pure star-forming (SF) LIRGs have a mean [CII]/FIR ~ 4x10^-3, while galaxies with low 6.2um PAH equivalent widths (EWs), indicative of the presence of active galactic nuclei (AGN), span the full range in [CII]/FIR. However, we show that even when only pure SF galaxies are considered, the [CII]/FIR ratio drops by an order of magnitude, from 10^-2 to 10^-3, with Sigma_MIR and Sigma_IR, implying that the [CII] luminosity is not a good indicator of the star formation rate (SFR) for most LIRGs, for it does not scale linearly with the warm dust emission. Moreover, even in LIRGs in which we detect an AGN in the mid-IR, the majority (2/3) of galaxies show [CII]/FIR >= 10^-3 typical of high 6.2um PAH EW sources, suggesting that most AGNs do not contribute significantly to the far-IR emission. We provide an empirical relation between the [CII]/FIR and the specific SFR (SSFR) for SF LIRGs. Finally, we present predictions for the starburst size based on the observed [CII] and far-IR luminosities which should be useful for comparing with results from future surveys of high-redshift galaxies with ALMA and CCAT.

We present high-resolution (0.3'') ALMA 870um imaging of 52 sub-millimeter galaxies (SMGs) in the Ultra Deep Survey (UDS) field and investigate the size and morphology of the sub-millimeter (sub-mm) emission on 2-10kpc scales. We derive a median intrinsic angular size of FWHM=0.30$\pm$0.04'' for the 23 SMGs in the sample detected at a signal-to-noise ratio (SNR) >10. Using the photometric redshifts of the SMGs we show that this corresponds to a median physical half-light diameter of 2.4$\pm$0.2kpc. A stacking analysis of the SMGs detected at an SNR <10 shows they have sizes consistent with the 870um-bright SMGs in the sample. We compare our results to the sizes of SMGs derived from other multi-wavelength studies, and show that the rest-frame ~250um sizes of SMGs are consistent with studies of resolved 12CO (J=3-2 to 7-6) emission lines, but that sizes derived from 1.4GHz imaging appear to be approximately two times larger on average, which we attribute to cosmic ray diffusion. The rest-frame optical sizes of SMGs are around four times larger than the sub-millimeter sizes, indicating that the star formation in these galaxies is compact relative to the pre-existing stellar distribution. The size of the starburst region in SMGs is consistent with the majority of the star formation occurring in a central region, a few kpc in extent, with a median star formation rate surface density of 90$\pm$30Msol/yr/kpc$^2$, which may suggest that we are witnessing an intense period of bulge growth in these galaxies.