[論文レビュー] Evolution of PAHs in photodissociation regions: Hydrogenation and charge states

J. Montillaud, C. Joblin+1 more|Jan 28, 2013

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 1被引用数 59

ひとこと要約

本研究では、光分解領域（PDR）における多環芳香族炭化水素（PAH）の化学的進化を新たにモデル化した。このモデルは、多光子過程および最近の水素化・イオン化に関する実験データを組み込み、NGC 7023 NW PDRで観測されたイオン化比を正確に再現した。その結果、中程度のPAH（50〜90炭素原子）は通常水素化されており、より大きなPAH（90 C以上）はスーパー水素化され、小さなPAH（50 C未塔）は完全に脱水素化されていることが判明した。完全な脱水素化は、希薄ガス領域では急速に進行する。

ABSTRACT

Various studies have emphasized variations of the charge state and composition of the interstellar polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) population in photodissociation regions (PDRs). We aim to model the spatial evolution of the charge and hydrogenation states of PAHs in PDRs. We focus on the specific case of the north-west (NW) PDR of NGC 7023 and also discuss the case of the diffuse interstellar medium (ISM). The physical conditions in NGC 7023 NW are modelled using a state-of-the-art PDR code. We then use a new PAH chemical evolution model that includes recent experimental data on PAHs and describes multiphoton events. We consider a family of compact PAHs bearing up to 96 carbon atoms. The calculated ionization ratio is in good agreement with observations in NGC 7023 NW. Within the PDR, PAHs evolve into three major populations: medium-sized PAHs (5090) can be superhydrogenated, and smaller species (Nc<50) are fully dehydrogenated. In the cavity, where the fullerene C60 was recently detected, all the studied PAHs are found to be quickly fully dehydrogenated. PAH chemical evolution exhibits a complex non-linear behaviour as a function of the UV radiation field because of multiphoton events. Steady state for hydrogenation is reached on timescales ranging from less than a year for small PAHs, up to 10000 years for large PAHs at Av=1. We identified critical reactions that need more studies. Our new model allows us to rationalize the observational constraints without any fitting parameter. PAHs smaller than 50 carbon atoms are not expected to survive in the NGC 7023 NW PDR. A similar conclusion is obtained for the diffuse ISM. Carbon clusters turn out to be end products of PAH photodissociation, and the evolution of these clusters needs to be investigated further to evaluate their impact on the chemical and physical evolution of PDRs.

研究の動機と目的

• 光分解領域（PDR）におけるPAHの電荷状態および水素化状態の空間的進化を定量的にモデル化すること、特にNGC 7023 NWを対象とする。
• PAHのイオン化および光電熱化効率に関連するPDRエネルギー収支の不一致を解消すること。
• 紫外線放射場およびダスト減光の変動下におけるPAHの生存可能性と化学的進化を評価すること。
• 多光子過程がPAHの光分解および水素化ダイナミクスに果たす役割を調査すること。
• PAHと最近検出されたC60フラーレンとの間に潜在的な関連があるかどうかを評価すること。

提案手法

• 0.25 eVのエネルギー区分を用いて内部エネルギー分布を追跡する新しいPAH化学的進化モデルを、最先端のPDRコードと結合した。
• エネルギー依存の吸収断面積および非イオン化量子収率を用いて、非イオン化紫外線・可視光吸収による加熱をモデル化した。
• 平均エネルギー近似とチャンク別冷却率を用いて、赤外線放射による冷却をシミュレートした。
• エネルギー区分幅の平均化を用いて解離率を計算し、多光子過程および内部エネルギー依存性を考慮した。
• カチオン再結合、H2反応性、およびH原子付加に関する最近の実験的・理論的データを組み込んだ。
• 最大96炭素原子を有するコンパクトなPAHの群を用い、さまざまな放射場および視覚的減光（Av）条件下での進化をシミュレーションした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い紫外線放射下で、NGC 7023 NW PDRにおけるPAHの電荷状態および水素化状態はどのように空間的に進化するか？
• RQ2 高紫外線環境下における非線形PAH進化を駆動する多光子過程の役割は何か？
• RQ3 なぜNGC 7023 NW PDRでは小さなPAH（50 C未塔）が検出されないのか。その生存閾値は何かを決定づける要因は何か？
• RQ4 NGC 7023の希薄なキャビティと密度の高いPDRとで、水素化状態およびイオン化状態はどのように異なるか？
• RQ5 PAHはPDRにおける観測された中赤外線発光および光電熱化にどの程度寄与しているか？

主な発見

• モデルは、フィッティングパラメータを一切用いずに、NGC 7023 NW PDRで観測されたイオン化比を再現した。これにより、モデルの予測力が裏付けられた。
• 中程度のPAH（50 ≤ N_C ≤ 90）は主に水素化されており、より大きなPAH（N_C ≥ 90）はスーパー水素化され得る。
• 小さなPAH（N_C ≤ 50）はNGC 7023 NW PDRで完全に脱水素化されており、この環境では生存しないと予想される。
• 希薄な宇宙空間（ISM）キャビティでは、研究対象のすべてのPAHが急速に完全に脱水素化されており、最近のC60検出と整合的である。
• 小さなPAHでは、1年未満で定常状態の水素化が達成されるが、大きなPAHではAv = 1の条件下で最大10^4年かかる。
• PAHの光分解は、炭素クラスターを最終生成物として生じる。これらの化学的・物理的役割がPDRの進化に与える影響は、今後の研究が必要である。