[論文レビュー] Limits on the cosmic-ray ionization rate toward massive young stars

F. van der Tak, E. F. van Dishoeck|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2000

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 13

ひとこと要約

本研究は、赤外線吸収によるH₃⁺と準ミリ波長放射によるH¹³CO⁺の観測データを統合し、多波長観測からの包層構造のモデル化を通じて、大質量の原始星への宇宙線イオン化率（ζ_CR）を制約した。その結果、ζ_CR = (2.6 ± 1.8) × 10⁻¹⁷ s⁻¹が得られ、希薄な雲の値と整合的であるが、前方に存在する雲の寄与により、H₃⁺から導かれる推定値よりも高い値となった。

ABSTRACT

Recent models of the envelopes of seven massive protostars are used to analyze observations of H3+ infrared absorption and H13CO+ submillimeter emission lines toward these stars, and to constrain the cosmic-ray ionization rate zeta. The H13CO+ gives best-fit values of zeta=(2.6+/- 1.8) x 10^-17 s^-1, in good agreement with diffuse cloud models and with recent Voyager/Pioneer data but factors of up to 7 lower than found from the H3+ data. No relation of zeta with luminosity or total column density is found, so that local (X-ray) ionization and shielding against cosmic rays appear unimportant for these sources. The difference between the H3+ and H13CO+ results and the correlation of N(H3+) with heliocentric distance suggest that intervening clouds contribute significantly to the H3+ absorptions in the more distant regions. The most likely absorbers are low-density (

研究の動機と目的

• 分子線観測を用いて、大質量の若い星の高密度包層における宇宙線イオン化率（ζ_CR）を特定すること。
• H₃⁺吸収とH¹³CO⁺放射データから推定されるイオン化率の乖離を解明すること。
• H₃⁺吸収に寄与する前方の雲の役割と、イオン化率推定値に与える影響を評価すること。
• ζ_CRが大質量原始星包層において、放射率、全H₂列密度、遮蔽効果と相関するかどうかを検証すること。

提案手法

• 準ミリ波長光度計による塵連続スペクトルデータとべき乗則密度プロファイルを用いて、原始星包層の温度および密度構造をモデル化する。
• モンテカルロ法を用いた非局所平衡放射線輸送を用いて、CS、C³⁴S、およびC¹⁷O線の放射および吸収をシミュレートする。
• CO、酸素、電子を伴う破壊経路に基づき、ζ_CRとH₃⁺およびHCO⁺の同定濃度を計算する。
• 観測されたH₃⁺の全列密度および正交/並行比とモデル予測を比較し、H₃⁺吸収からζ_CRを推定する。
• H¹³CO⁺放射データを用いて、HCO⁺濃度がζ_CRに線形に比例すると仮定して、独立したζ_CR推定値を得る。
• 中間の雲の寄与を評価するため、H₃⁺全列密度と太陽系中心距離との相関を調べ、低密度の半透明雲モデルと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 H₃⁺およびH¹³CO⁺観測から制約された、大質量原始星の高密度包層における宇宙線イオン化率（ζ_CR）は何か？
• RQ2 同じ源において、なぜH₃⁺から導かれるイオン化率はH¹³CO⁺データから得られる値よりも系として高いのか？
• RQ3 特に遠方の源において、前方または中間の雲が観測されたH₃⁺吸収にどの程度寄与しているのか？
• RQ4 ζ_CRは、原始星の放射率、全H₂列密度、または遮蔽効果と相関するのか？
• RQ5 H₃⁺とH¹³CO⁺の結果の乖離は、低密度で半透明な前方雲の存在によって説明可能か？

主な発見

• H¹³CO⁺データから得られた最良適合の宇宙線イオン化率はζ_CR = (2.6 ± 1.8) × 10⁻¹⁷ s⁻¹であり、希薄な雲モデルおよびボイジャー／パイオニアの測定値と良好に一致した。
• H₃⁺から導かれるイオン化率は系として高く、これは中間の雲からの寄与が顕著であることを示唆している。
• 観測されたH₃⁺全列密度と太陽系中心距離との間に強い相関（r = 0.93）が認められ、遠方の源では前方の雲が吸収を支配していることが示された。
• 中性またはCO形態に大部分の炭素が存在する低密度（≤10⁴ cm⁻³）の半透明雲が、H₃⁺の吸収体として最も可能性が高く、全列密度に最大で約10¹⁴ cm⁻²の寄与を示した。
• ζ_CRと原始星の放射率や全H₂列密度との間に顕著な相関は認められず、局所的なX線イオン化や宇宙線遮蔽が支配的要因でないことが示された。
• H₃⁺およびH¹³CO⁺データからのζ_CRの上限は、最良適合値の3～5倍程度であり、中程度の不確実性であるが、全体として一貫した制約が得られた。