[論文レビュー] Origin of CH+ in diffuse molecular clouds warm H2 and ion-neutral drift

Valeska Valdivia, B. Godard+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2016

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 60被引用数 12

ひとこと要約

本研究は、理想磁気流体力学（MHD）シミュレーションとカスタム化学ソルバーを組み合わせることで、希薄分子雲におけるCH+の起源を調査した。温暖なH2とイオン-中性子ドリフトの役割を評価した結果、CH+はH2含有率が1–10%で温度が300 K以上のクラスター周辺で効率的に生成され、温暖で非平衡状態のH2がCH+の柱密度を最大10倍まで高めるが、依然として観測値を下回る。一方、ドリフト速度が低く、まれにしか発生しないことから、イオン-中性子ドリフトの影響は最小限にとどまる。

ABSTRACT

This paper assesses the roles of the presence of warm H2, and the increased formation rate due to the ion-neutral drift. We performed ideal MHD simulations that include the heating and cooling of the multiphase ISM, and where we treat dynamically the formation of H2. In a post-processing step we compute the abundances of species at chemical equilibrium. We show that CH+ is efficiently formed at the edge of clumps, in regions where the H2 fraction is low, but nevertheless higher than its equilibrium value, and where the gas temperature is high. We show that warm and out of equilibrium H2 increases the integrated column densities of CH+ by one order of magnitude, up to values still 3-10 times lower than those observed in the diffuse ISM. We balance the Lorentz force with the ion-neutral drag to estimate the ion-drift velocities (vd). We find that the vd distribution peaks around 0.04 km s-1, and that high vd are too rare to have a significant statistical impact on the abundances of CH+. Compared to previous works, our multiphase simulations reduce the spread in vd, and our self-consistent treatment of the ionisation leads to much reduced vd. Nevertheless, our resolution study shows that this velocity distribution is not converged: the ion-neutral drift has a higher impact on CH+ at higher resolution. On the other hand, our ideal MHD simulations do not include ambipolar diffusion, which would yield lower drift velocities. Within these limitations, we conclude that warm H2 is a key ingredient in the efficient formation of CH+ and that the ambipolar diffusion has very little influence on the abundance of CH+, mainly due to the small drift velocities obtained. However, we point out that small-scale processes and other non-thermal processes not included in our MHD simulation may be of crucial importance, and higher resolution studies with better controlled dissipation processes are needed.

研究の動機と目的

• 星間化学における長年の謎である希薄分子雲におけるCH+の起源を理解すること。
• 温暖H2とイオン-中性子ドリフトが観測されたCH+の過剰度を説明できるかどうかを評価すること。
• 乱流混合と非平衡状態のH2生成がCH+生成を促進する役割を評価すること。
• イオン-中性子ドリフト速度がCH+生成率に与える影響を定量化すること。
• シミュレーションでのCH+過剰度と観測値の乖離を解消するのに不足している物理的プロセスを同定すること。

提案手法

• 多相性ISMに加えて加熱・冷却および動的H2生成を含む3次元理想MHDシミュレーションを実施した。
• 局所的な物理的条件を入力として化学平衡状態での種の過剰度を計算する後処理化学ソルバーを用いた。
• 吸熱的CH+生成に適した領域を特定するためにH2含有率と温度を追跡した。
• MHDシミュレーションからローレンツ力とイオン-中性子抵抗をバランスさせ、ドリフト速度を推定した。
• ドリフト速度分布を計算し、CH+生成に与える統計的影響を評価した。
• 解像度の影響を検証するため、ドリフト速度分布の収束性をテストした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 温暖で非平衡状態のH2は、希薄分子雲で観測されたCH+過剰度を説明できるか？
• RQ2 現実的なMHDシミュレーションにおいて、イオン-中性子ドリフトはCH+生成にどの程度寄与するか？
• RQ3 乱流混合と多相構造は、CH+の空間的分布と過剰度にどのように影響するか？
• RQ4 なぜシミュレーションでのCH+柱密度は依然として観測値よりも著しく低いのか？
• RQ5 解像度と数値的拡散は、ドリフト速度の推定とその化学的影響にどのように影響するか？

主な発見

• CH+はH2含有率が1–10%で温度が300 Kを超えるクラスター周辺で効率的に生成され、温暖で非平衡状態のH2が果たす役割が顕著である。
• 温暖H2は統合CH+柱密度を最大10倍まで高め、観測値に近づけるが、依然として3–10倍のギャップが存在する。
• イオン-中性子ドリフト速度は約0.04 km/sでピークを示し、高速度（>1 km/s）は極めてまれであるため、CH+過剰度に統計的に顕著な影響を与えない。
• 使用した解像度ではドリフト速度分布が収束していないため、より高解像度のシミュレーションでアームプアール拡散の影響が強くなる可能性がある。
• MHDシミュレーションにおけるイオン化の自己一貫的取り扱いにより、従来の研究と比較してドリフト速度が著しく低く抑えられ、ドリフトのCH+生成への寄与が減少した。
• ドリフト速度の大きさが小さく、かつ高速度がまれであるため、アームプアール拡散がCH+過剰度に顕著な影響を及ぼす可能性は低い。