Emeric Bron, Marc-Antoine Miville-Deschenes, Pierre Gratier, Jérôme Pety, Jan H. Orkisz, Nicolas Peretto, Maxime Vono, Evelyne Roueff, Antoine Roueff, Albrecht Sievers, Javier R. Goicoechea, Jacques Le Bourlot, Victor de Souza Magalhaes, Jouni Kainulainen, Annie Hughes, Franck Petit, Viviana V. Guzmán, Maryvonne Gerin, Harvey S. Liszt, François Levrier, Antoine Marchal, Jocelyn Chanussot, David Languignon, Sébastien Bardeau, M. Gaudel, Pierre Chainais, Centre National de la Recherche Scientifique (France), Max Planck Society, Instituto Geográfico Nacional (España), European Space Agency, Centre National D'Etudes Spatiales (France), Agencia Estatal de Investigación (España), PhyTI (PhyTI), Institut FRESNEL (FRESNEL), Aix Marseille Université (AMU)-École Centrale de Marseille (ECM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Aix Marseille Université (AMU)-École Centrale de Marseille (ECM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire d'Etude du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique et Atmosphères = Laboratory for Studies of Radiation and Matter in Astrophysics and Atmospheres (LERMA), École normale supérieure - Paris (ENS-PSL), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire de Paris, Université Paris sciences et lettres (PSL)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-CY Cergy Paris Université (CY), FORMATION STELLAIRE 2020, Laboratoire d'Astrophysique de Bordeaux [Pessac] (LAB), Université de Bordeaux (UB)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - 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Jean Jaurès (UT2J), Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Toulouse Mind & Brain Institut (TMBI), Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse Capitole (UT Capitole), Université de Toulouse (UT), GIPSA - Signal Images Physique (GIPSA-SIGMAPHY), GIPSA Pôle Sciences des Données (GIPSA-PSD), Grenoble Images Parole Signal Automatique (GIPSA-lab), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP ), Université Grenoble Alpes (UGA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut polytechnique de Grenoble - 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CNRS)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France -Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire Univers et Théories (LUTH (UMR_8102)), Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire de Paris, Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité), National Radio Astronomy Observatory [Charlottesville] (NRAO), National Radio Astronomy Observatory (NRAO), Canadian Institute for Theoretical Astrophysics (CITA), Astrophysique Interprétation Modélisation (AIM (UMR_7158 / UMR_E_9005 / UM_112)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité), Cardiff University, ANR-19-P3IA-0003,MIAI,MIAI @ Grenoble Alpes(2019), Laboratoire d'Etude du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique (LERMA (UMR_8112)), Observatoire de Paris, Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Sorbonne Université (SU)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - 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CNRS)
27 pags., 23 figs., 3 tabs., Context. CO isotopologue transitions are routinely observed in molecular clouds for the purpose of probing the column density of the gas and the elemental ratios of carbon and oxygen, in addition to tracing the kinematics of the environment. Aims. Our study is aimed at estimating the abundances, excitation temperatures, velocity field, and velocity dispersions of the three main CO isotopologues towards a subset of the Orion B molecular cloud, which includes IC 434, NGC 2023, and the Horsehead pillar. Methods. We used the Cramer Rao bound (CRB) technique to analyze and estimate the precision of the physical parameters in the framework of local-thermodynamic-equilibrium (LTE) excitation and radiative transfer with added white Gaussian noise. We propose a maximum likelihood estimator to infer the physical conditions from the 1-0 and 2-1 transitions of CO isotopologues. Simulations show that this estimator is unbiased and proves efficient for a common range of excitation temperatures and column densities (Tex > 6 K, N > 1014-1015 cm-2). Results. Contrary to general assumptions, the various CO isotopologues have distinct excitation temperatures and the line intensity ratios between different isotopologues do not accurately reflect the column density ratios. We find mean fractional abundances that are consistent with previous determinations towards other molecular clouds. However, significant local deviations are inferred, not only in regions exposed to the UV radiation field, but also in shielded regions. These deviations result from the competition between selective photodissociation, chemical fractionation, and depletion on grain surfaces. We observe that the velocity dispersion of the C18O emission is 10% smaller than that of 13CO. The substantial gain resulting from the simultaneous analysis of two different rotational transitions of the same species is rigorously quantified. Conclusions. The CRB technique is a promising avenue for analyzing the estimation of physical parameters from the fit of spectral lines. Future works will generalize its application to non-LTE excitation and radiative transfer methods., This work is based on observations carried out under project numbers 019-13, 022-14, 145-14, 122-15, 018-16, and finally the large program number 124-16 with the IRAM 30m telescope. IRAM is supported by INSU/CNRS (France), MPG (Germany) and IGN (Spain). This research also used data from the Herschel Gould Belt survey (HGBS) project (http:// gouldbelt-herschel.cea.fr). The HGBS is a Herschel Key Programme jointly carried out by SPIRE Specialist Astronomy Group 3 (SAG 3), scientists of several institutes in the PACS Consortium (CEA Saclay, INAF-IFSI Rome and INAF-Arcetri, KU Leuven, MPIA Heidelberg), and scientists of the Herschel Science Center (HSC). We thank CIAS for their hospitality during the many workshops devoted to the ORION-B project. This project has received financial support from the CNRS through the MITI interdisciplinary programs. This work was supported in part by the Programme National “Physique et Chimie du Milieu Interstellaire” (PCMI) of CNRS/INSU with INC/INP, co-funded by CEA and CNES. JRG thanks Spanish MICI for funding support under grant AYA2017- 85111-P. Finally, we thank the anonymous referee for helpful comments on the manuscript.