[論文レビュー] Evolution of dust in the Orion Bar with Herschel: I. Radiative transfer modelling

H. Arab, A. Abergel+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 27被引用数 50

ひとこと要約

本研究では、Herschel PACSおよびSPIREの光度観測を用いて、オリオン・バーPDRにおけるダスト放射をマッピングし、DustEMコードを用いた放射平衡輸送モデルを適用してダストの進化を追跡した。温度勾配が約80 Kから40 Kに変化し、密度の高い領域では発光指数βが1.1から2.0に増加しており、これは粒子の成長と凝集を示唆する。観測されたSedをフィットさせるには、PAHの枯渇と発光性の向上が必要であることが判明した。

ABSTRACT

Interstellar dust is a key element in our understanding of the interstellar medium and star formation. The manner in which dust populations evolve with the excitation and the physical conditions is a first step in the comprehension of the evolution of inter- stellar dust. Within the framework of the Evolution of interstellar dust Herschel key program, we have acquired PACS and SPIRE spec- trophotometric observations of various photodissociation regions, to characterise this evolution. The aim of this paper is to trace the evolution of dust grains in the Orion Bar photodissociation region. We use Herschel/PACS (70 and 160 mic) and SPIRE (250, 350 and 500 mic) together with Spitzer/IRAC observations to map the spatial distribution of the dust populations across the Bar. Brightness profiles are modelled using the DustEM model coupled with a radiative transfer code. Thanks to Herschel, we are able to probe finely the dust emission of the densest parts of the Orion Bar with a resolution from 5.6" to 35.1". These new observations allow us to infer the temperature of the biggest grains at different positions in the Bar, which reveals a gradient from \sim 80 K to 40 K coupled with an increase of the spectral emissivity index from the ionization front to the densest regions. Combining Spitzer/IRAC observations, which are sensitive to the dust emission from the surface, with Herschel maps, we have been able to measure the Orion Bar emission from 3.6 to 500 mic. We find a stratification in the different dust components which can be re- produced quantitatively by a simple radiative transfer model without dust evolution. However including dust evolution is needed to explain the brightness in each band. PAH abundance variations, or a combination of PAH abundance variations with an emissivity enhancement of the biggest grains due to coagulation give good results.

研究の動機と目的

• オリオン・バー光解離領域（PDR）における放射場および物理的条件の変化に伴うダスト集団の進化を特徴づけること。
• 多波長観測を用いて、PDR全域におけるダスト粒子の性質（温度、発光指数β、濃度など）の変化を特定すること。
• 標準的な宇宙間空間ダストの性質（例えば、散乱・吸収特性）のみを用いて観測されたSedを再現できるか、あるいはダスト進化（例えば、凝集、PAHの枯渇）を考慮する必要があるかを評価すること。
• 放射輸送効果と固有のダスト進化の両者が、観測された空間的・スペクトル的放射構造をどのように形作っているかを調査すること。

提案手法

• 空間分解能5.6″〜35.1″の範囲で、Herschel/PACS（70, 160 µm）およびSPIRE（250, 350, 500 µm）のスペクトロ光度マップを取得した。
• 3.6 µmから500 µmまでの全Sedをカバーするため、Spitzer/IRAC 3.6 µm観測とHerschelデータを統合した。
• 全マップを共通のビームに合わせるための畳み込みカーネル法を開発し、オリオン・バー全域で一貫したSed抽出を実現した。
• 標準的な宇宙間空間ダストの濃度および光学的性質を用いて、放射輸送コードと組み合わせたDustEMモデルを適用し、ダスト放射をシミュレートした。
• 観測された輝度プロファイルに適合させるために、PAH濃度、粒子発光性（β）、視線方向パス長などのモデルパラメータを変化させた。
• 凝集（発光性の増加）やPAH枯渇といったダスト進化メカニズムの影響を検証し、モデルとデータの一致を改善した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イオン化フロントから密度の高い領域へ至るオリオン・バーPDRにおいて、ダスト温度とスペクトル発光指数βはどのように変化するか？
• RQ2 ダスト進化を仮定せずに、標準的な宇宙間空間ダスト性質のみを用いて観測されたSedをどの程度再現できるか？
• RQ3 特に3.6 µmおよび遠赤外域での観測された赤外線輝度を説明するために、PAHの枯渇や凝集はどの程度の役割を果たすか？
• RQ4 3.6 µmと500 µmの間で観測されたピーク発光位置の30″のずれは、放射輸送効果によるものか、それとも固有のダスト層構造によるものか？
• RQ5 一様なスラブモデル（端面幾何）では観測されたSedを再現できるか、それとも部分構造や異なる光学的パス長が不可欠か？

主な発見

• オリオン・バーのイオン化フロントではダスト温度が約80 K、最も密度の高い領域では約40 Kに低下する。
• PDR全域で発光指数βが約1.1から約2.0に増加しており、これは密度の高い領域でより大きな、より発光性の高い粒子に移行していることを示唆する。
• 標準的な宇宙間空間ダストモデルでは遠赤外輝度が低く見積もられ、β勾配も再現できないため、ダスト進化の必要性が示された。
• 標準的な宇宙間空間ダスト値からPAH濃度を7倍枯渇させることで、Spitzer/IRAC 3.6 µm発光に良好なフィットが得られた。
• PAH枯渇（7未満の要因）と凝集による発光性向上（2〜3倍の要因）を組み合わせることで、Herschelバンドのモデル適合が改善された。
• 3.6 µmと500 µmの間で観測された30″のピーク発光位置のずれは、ダストの層構造と整合的であり、短波長は表面を、長波長はより深く冷たい層をプローブしていることを示している。