[論文レビュー] A far UV study of interstellar gas towards HD34078: high excitation H2 and small scale structure - Based on observations performed by the FUSE mission and at the CFHT telescope

P. Boissé, Franck Le Petit+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2004

Atmospheric Ozone and Climate被引用数 26

ひとこと要約

本研究では、HD 34078の5つのFUSEおよびCFHT遠紫外スペクトルを用いて、銀河間H₂における小スケール構造を調査した。2つの成分が同定された：HD 34078に近いO型星に由来する、高エネルギー励起H₂（v=2, J=11まで）を示す、前方に位置する半透明な雲と、密度が高くUV放射にさらされた層である。J=0,1,2のレベルではΔN/N ≤ 5%、高Jレベルでは≤30%という顕著なラインプロファイル変動の欠如は、5–50 AUスケールでH₂が滑らかで安定した分布を示していることを示し、強い小スケール密度フラクチュエーションを排除する。

ABSTRACT

To investigate the presence of small scale structure in the spatial distribution of H2 molecules we have undertaken repeated FUSE UV observations of the runaway O9.5V star, HD34078. In this paper we present five spectra obtained between January 2000 and October 2002. These observations reveal an unexpectedly large amount of highly excited H2. Column densities for H2 levels from (v = 0, J = 0) up to (v = 0, J = 11) and for several v = 1 and v = 2 levels are determined. These results are interpreted in the frame of a model involving essentially two components: i) a foreground cloud (unaffected by HD34078) responsible for the H2 (J = 0, 1), CI, CH, CH+ and CO absorptions; ii) a dense layer of gas (n = 10E4 cm-3) close to the O star and strongly illuminated by its UV flux which accounts for the presence of highly excited H2. Our model successfully reproduces the H2 excitation, the CI fine-structure level populations as well as the CH, CH+ and CO column densities. We also examine the time variability of H2 absorption lines tracing each of these two components. From the stability of the J = 0, 1 and 2 damped H2 profiles we infer a 3 sigma upper limit on column density variations Delta(N(H2))/N(H2) of 5% over scales ranging from 5 to 50 AU. This result clearly rules out any pronounced ubiquitous small scale "density" structure of the kind apparently seen in HI. The lines from highly excited gas are also quite stable (equivalent to Delta(N)/N <= 30%) indicating i) that the ambient gas through which HD34078 is moving is relatively uniform and ii) that the gas flow along the shocked layer is not subject to marked instabilities

研究の動機と目的

• 繰り返しの遠紫外観測を用いて、銀河間H₂分布における小スケール構造を調べること。
• 分子ガスが1 AUスケールの密度フラクチュエーションまたは化学的不均一性を示すかどうかを特定すること。
• HD 34078に向かうH₂、CH、CH⁺、CO、およびCIの励起状態と吸収縫い幅密度をモデル化すること。
• 吸収ラインの時間的変動を、銀河間媒体における力学的安定性のトレーサーとして評価すること。
• 2成分モデル（前方の半透明な雲と、HD 34078に近い衝撃を受けて密度の高い層）を検証すること。

提案手法

• 2000年1月から2002年10月までの間、5つのFUSE遠紫外スペクトルを取得し、吸収ラインの時間的変動をモニタリングした。
• スペクトルフィッティングにより、H₂準位（v=0, J=0～11；v=1,2）の吸収縫い幅密度を導出した。
• 2成分モデルを適用：HD 34078に影響を受けない前方の雲と、O星に近い密度の高いUV放射にさらされた層。
• 衝撃を受けた層における蛍光励起を考慮した放射輸送モデルを用いて、励起温度と吸収縫い幅密度をフィッティングした。
• H₂、CI、CH、CH⁺、COラインの時間的変動を定量化し、5–50 AUスケールでの安定性を評価した。
• 観測された励起ダイアグラムおよびCIの微細構造準位分布を再現できたことで、モデルの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CH や CO などの微量元素が示唆するように、銀河間媒体におけるH₂分布に1–100 AUスケールの小スケール密度構造が存在するか？
• RQ2 HD 34078の視線方向で観測されたH₂分子の異常に高い励起状態は、何によって引き起こされるか？
• RQ3 HD 34078が移動する周囲媒体が、吸収ラインの時間的変動によって示唆されるように、1 AUスケールで力学的に安定しているか？
• RQ4 観測されたH₂、CH、CH⁺、CO、CIの励起状態と吸収縫い幅密度は、前方の雲と衝撃を受けた密度の高い層を含む2成分モデルで説明可能か？
• RQ5 CHの吸収縫い幅密度が既知の10年周期で増加しているのと相関する、H₂吸収縫い幅密度の長期的変化の証拠はあるか？

主な発見

• H₂励起ダイアグラムは、HD 34078に近い密度の高いUV放射にさらされた層（n ≈ 10⁴ cm⁻³、強力な蛍光励起）を含むモデルでよく再現された。
• H₂の大部分（J=0,1）、CH、CH⁺、CO、CIの吸収は、距離約380 pcの前方の半透明な雲から発生している。
• 吸収縫い幅密度が顕著に変化しない（J=0,1,2のdamped H₂ラインで、5–50 AUスケールでΔN(H₂)/N(H₂) ≤ 5%の3σ上限）ため、時間的安定性が示された。
• 高エネルギー励起H₂ライン（v=2, J=11まで）に対しても最小限の変動（ΔN/N ≤ 30%）が観測され、衝撃を受けた層の安定性が裏付けられた。
• 顕著なライン変動が認められないことから、HIと同様に、周囲媒体に強い普遍的な小スケール密度フラクチュエーションは存在しないことが排除された。
• モデルは、すべての主要種の観測された吸収縫い幅密度と励起状態をよく再現できており、2成分モデルの妥当性が支持された。