[論文レビュー] Full SED fitting with the KOSMA-τ PDR code - I. Dust modelling

M. Röllig, R. Szczerba+2 more|Nov 15, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 51被引用数 24

ひとこと要約

本稿は、星間ダストの物理的取り扱いを一貫性を持って行うようにKOSMA-τ PDRコードを改訂し、MCDRT放射移動コードと連携してダスト加熱・冷却および表面でのH2生成をモデル化する。主な進展は、ダスト表面でのH2生成にEley-Rideal機構を組み込むことであり、これは外層雲域における加熱を顕著に増大させ、特にポリカルボナリー芳香族炭化水素（PAHs）が存在する場合に高J CO線放射を強化する。

ABSTRACT

We revised the treatment of interstellar dust in the KOSMA-τ PDR model code to achieve a consistent description of the dust-related physics in the code. The detailed knowledge of the dust properties is then used to compute the dust continuum emission together with the line emission of chemical species. We coupled the KOSMA-τ PDR code with the MCDRT (multi component dust radiative transfer) code to solve the frequency-dependent radiative transfer equations and the thermal balance equation in a dusty clump under the assumption of spherical symmetry, assuming thermal equilibrium in calculating the dust temperatures, neglecting non-equilibrium effects. We updated the calculation of the photoelectric heating and extended the parametrization range for the photoelectric heating toward high densities and UV fields. We revised the computation of the H2 formation on grain surfaces to include the Eley-Rideal effect, thus allowing for high-temperature H2 formation. We demonstrate how the different optical properties, temperatures, and heating and cooling capabilities of the grains influence the physical and chemical structure of a model cloud. The most influential modification is the treatment of H2 formation on grain surfaces that allows for chemisorption. This increases the total H2 formation significantly and the connected H2 formation heating provides a profound heating contribution in the outer layers of the model clumps. The contribution of PAH surfaces to the photoelectric heating and H2 formation provides a boost to the temperature of outer cloud layers, which is clearly traced by high-J CO lines. Increasing the fraction of small grains in the dust size distribution results in hotter gas in the outer cloud layers caused by more efficient heating and cooler cloud centers, which is in turn caused by the more efficient FUV extinction.

研究の動機と目的

• 詳細なダスト放射移動および熱平衡を統合することで、KOSMA-τ PDRモデルコードにおけるダスト取り扱いの物理的整合性を向上させること。
• ダスト特性（特に粒子径分布、PAHs、表面化学）がフォトディスソシエーション領域の熱的・化学的構造に与える影響を調査すること。
• 特にEley-Rideal機構による表面でのH2生成の増強がガス加熱および線放射に与える影響を定量化すること。
• ダストの光学的性質がFUV遮蔽、放射移動および結果としてのスペクトルエネルギー分布に与える影響を評価すること。
• 自己整合的なPDRモデルとして、ダスト連続スペクトルおよび分子線放射を統合したSEDフルフィッティングを可能にすること。

提案手法

• 球対称下での周波数依存放射移動および熱平衡を解くために、KOSMA-τ PDRコードとMCDRTコードを結合した。
• 高密度および強いUV放射場に対応するように、光電離加熱計算を見直した。
• Eley-Rideal機構を含めることで、ダスト表面でのH2生成を再考し、化学吸着および高温度域での生成を可能にした。
• モジュラー化学ネットワークを用いて、同位体種の動的組み込みおよび生成・消失レートのバランスをとった。
• 小粒径ダストの非平衡効果を無視して、熱平衡下でのダスト温度を計算した。
• 異なるダストモデルに対して、ダスト連続スペクトルおよび分子線放射（例：CO J=50まで）を含むフルSEDをシミュレートした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダスト粒子表面でのH2生成にEley-Rideal機構を組み込むと、PDRにおけるH2生成総率および関連加熱にどのような影響を与えるか？
• RQ2 PAHsおよび小粒径ダストは、光電離加熱をどれほど強化し、外層雲域の温度構造にどのような影響を与えるか？
• RQ3 ダスト粒子径分布および組成の変化が、FUV減光曲線およびそれに続く熱的構造に与える影響は何か？
• RQ4 表面でのH2生成加熱の増強が、特にモデルクラウドの外層部における高J CO線放射に与える影響は何か？
• RQ5 PAH濃度や粒子径分布といったダスト特性を調整することで、観測された高J CO線放射フラックスを再現できるか？

主な発見

• Eley-Rideal機構をダスト表面でのH2生成に組み込むことで、特に極小粒径ダストおよびPAHs上でのH2生成総率が顕著に増加した。
• H2生成加熱は、PAHsが存在する場合、特にモデルクラウドの外層部で支配的加熱源となり、ガス温度が上昇した。
• WD01-7ダストモデル（R_V = 3.1）は、H2生成および光電離加熱の表面積が増加したため、最も強い高J CO線放射（J ≥ 10）を示した。
• MRNダストモデル（PAHsを欠如）は、H2生成なしのWD01-25モデルと比較して、高J CO線放射が弱く、中間的な放射レベルを示した。
• 小粒径ダストの割合を増やすと、光電離加熱が強化され外層がより高温になるが、FUV減光が強くなるため、雲中心部は冷却される。
• 高J CO線は、H2生成加熱およびPAH表面寄与の最も感受性の高いトレーサーである一方、[CII]線放射は内層および外層両方に敏感であるため、信頼性が低い。