[論文レビュー] ISO-SWS Observations of OMC-1: H_2 and Fine Structure Lines

Dirk Rosenthal, F. Bertoldi+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2000

Geophysics and Gravity Measurements参考文献 1被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、オリオン OMC-1 の流れに向かって行なった ISO-SWS 観測により、H₂ および微細構造線の励起状態が明らかになった。励起温度は 1015 K から 43,000 K にわたり、複雑な励起環境が示された。蛍光や対-正規比の異常な兆候は観測されず、高励起状態の H₂ は標準的な衝撃モデルを超える非熱的または生成駆動型励起機構を要する。全流れにおける H₂ 総放射光度は 120 ± 60 L☉ と推定された。

ABSTRACT

Using the Short-Wavelength-Spectrometer on the Infrared Space Observatory (ISO), we obtained near- and mid-infrared spectra toward the brightest H_2 emission peak of the Orion OMC-1 outflow. A wealth of emission and absorption features were detected, dominated by 56 H_2 ro-vibrational and pure rotational lines reaching from H_2 0-0 S(1) to 0-0 S(25). The spectra also show a number of H I recombination lines, atomic and ionic fine structure lines, and molecular lines of CO and H_2O. Between 6 and 12 mu the emission is dominated by PAH features. The H_2 level column density distribution shows no signs of fluorescent excitation or a deviation from an ortho-to-para ratio of three. It shows an excitation temperature which increases from about 600 K for the lowest rotational and vibrational levels to about 3200 K at level energies E(v,J)/k > 14 000 K. No single steady state shock model can reproduce the observed H_2 excitation. The higher energy H_2 levels may be excited either thermally in non-dissociative J-shocks, through non-thermal collisions between fast ions and molecules with H_2 in C-shocks, or they are pumped by newly formed H_2 molecules. The highest rotational levels may be populated by yet another mechanism, such as the gas phase formation of H_2 through H^-.

研究の動機と目的

• 高分解能赤外分光法を用いて、OMC-1 流れにおける分子水素の励起状態を特徴づけること。
• 赤外線の吸収量を推定し、発光領域を特定することで、H₂ および微細構造線発光の起源を特定すること。
• 現在の衝撃モデルが、広範なエネルギー準位にわたる観測された H₂ 準位分布を再現できるかどうかを検証すること。
• 最も高い回転および振動準位の H₂ 準位が励起される物理的メカニズムを調査すること。
• 観測された線強度に基づき、OMC-1 流れにおける温暖 H₂ の全柱密度、質量、および放射光度を推定すること。

提案手法

• 赤外線宇宙望遠鏡（ISO）搭載の短波長分光器（SWS）を用いて、OMC-1 の最も明るい H₂ ピークの近赤外および中赤外分光スペクトル（2.4–45 μm）を取得した。
• 相対的な線強度比を用いて吸収量を推定し、OMC-1 雲（A_V ≈ 1.0 mag）と前方に位置する H II 領域の発光を区別した。
• 励起エネルギーが 1015 K から 43,000 K の範囲にわたる 0–0 S(1) から 0–0 S(25) までの 56 本の H₂ 回転振動および純粋回転線を測定した。
• 観測された H₂ 準位分布を、定常状態の J-衝撃、C-衝撃、およびバウ衝撃モデルと比較した。
• 2成分モデル（T = 200 K および 800 K、N_H₂ 比 10:1）を用いて、H₂ 生成過程による観測された準位分布を再現した。
• 特に高エネルギー準位の励起に寄与する非熱的励起機構（イオン-分子衝突、H⁻ を介した H₂ 生成など）の役割を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OMC-1 の H₂ 発光は、分子雲内での衝撃励起ガス由来か、前方に位置するイオン化領域由来か？
• RQ2 観測された H₂ 準位分布は、標準的な定常状態の衝撃モデルの予測とどのように一致するか？
• RQ3 熱的衝突励起を超える、最も高い回転および振動準位（例：0–0 S(25)）を励起する物理的メカニズムは何か？
• RQ4 非局所熱的平衡（non-LTE）効果や、3:1 の対-正規比からの逸脱が、観測された H₂ 励起に与える影響はどの程度か？
• RQ5 OMC-1 流れにおける温暖 H₂ の全質量および放射光度は何か？また、ISO-SWS の開口部から全流れへとスケーリングされるか？

主な発見

• H₂ 発光は平均的に K バンド吸収量 1.0 mag の OMC-1 分子雲内から発生しているが、原子水素および微細構造線は前方の H II 領域および光分解領域から発生している。
• ISO-SWS 開口部内での H₂ 総放射光度は (17 ± 5) L☉ であり、全流れに extrapolated した値は (120 ± 60) L☉ であった。
• 温暖 H₂ の柱密度は (1.9 ± 0.5) × 10²¹ cm⁻² であり、開口部内での温暖 H₂ の質量は (0.06 ± 0.015) M☉ に相当する。
• 低エネルギー準位では励起温度が約 600 K であるのに対し、E(v,J)/k > 14,000 K の高エネルギー領域では約 3200 K にまで上昇しており、高エネルギー領域での強い非熱的励起が示唆された。
• 1 つの定常状態の衝撃モデルでは観測された H₂ 準位分布を再現できず、ゆっくりと速い衝撃の組み合わせ、または時間依存的磁気的衝撃が必要である。
• 最高励起線である 0–0 S(25) は、熱的傾向の外挿と比較して著しく過剰励起されており、ガス相での H⁻ を介した H₂ 生成による励起という別個のメカニズムが関与している可能性がある。