[論文レビュー] Photoevaporating PDR models with the Hydra PDR Code

Émeric Bron, M. Agúndez+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2018

Atmospheric Ozone and Climate参考文献 2被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、放射線輸送、熱化学、流体力学を統合した1次元流体動力学的PDRコードを構築し、分子雲の端縁における光蒸発をモデル化した。このモデルは、観測されたハーシェルおよびアルマの結果と一致する高熱的圧力（$P/k_B \sim 10^7{-}10^8\ \mathrm{K\,cm^{-3}}$）と線形な$P$-$G_0$相関を自然に生じさせることを示した。小スケールのクラスタリングを仮定しなくても、観測された密度対比を説明できる。

ABSTRACT

Recent Herschel and ALMA observations of Photodissociation Regions (PDRs) have revealed the presence of a high thermal pressure (P ~ 10^7-10^8 K cm-3) thin compressed layer at the PDR surface where warm molecular tracer emission (e.g. CH+, SH+, high-J CO, H2,...) originate. These high pressures (unbalanced by the surrounding environment) and a correlation between pressure and incident FUV field (G0) seem to indicate a dynamical origin with the radiation field playing an important role in driving the dynamics. We investigate whether photoevaporation of the illuminated edge of a molecular cloud could explain these high pressures and pressure-UV field correlation. We developed a 1D hydrodynamical PDR code coupling hydrodynamics, EUV and FUV radiative transfer and time-dependent thermo-chemical evolution. We applied it to a 1D plane-parallel photoevaporation scenario where a UV-illuminated molecular cloud can freely evaporate in a surrounding low-pressure medium. We find that photoevaporation can produce high thermal pressures and the observed P-G0 correlation, almost independently from the initial gas density. In addition, we find that constant-pressure PDR models are a better approximation to the structure of photoevaporating PDRs than constant-density PDR models, although moderate pressure gradients are present. Strong density gradients from the molecular to the neutral atomic region are found, which naturally explain the large density contrasts (1-2 orders of magnitude) derived from observations of different tracers. The photoevaporating PDR is preceded by a low velocity shock (a few km/s) propagating into the molecular cloud. Photoevaporating PDR models offer a promising explanation to the recent observational evidence of dynamical effects in PDRs.

研究の動機と目的

• 分子雲の端縁における光蒸発が、PDRで観測された高熱的圧力（$P/k_B \sim 10^7{-}10^8\ \mathrm{K\,cm^{-3}}$）を説明できるかどうかを調査すること。
• 光蒸発が、到来するFUV放射場（$G_0$）と圧力の間の観測された相関を再現できるかどうかを検証すること。
• 定圧PDRモデルが定密度モデルよりも光蒸発PDRをよりよく記述できるかどうかを評価すること。
• PDRにおけるトレーサー間の観測された密度対比の起源、特に密度差が1〜2桁である理由を特定すること。
• 光蒸発フロントの構造、特に衝撃の形成と流れのダイナミクスを特徴づけること。

提案手法

• 1次元流体力学的PDRコードを構築し、1次元流体力学、EUVおよびFUVの放射線輸送、時間に依存する熱化学的進化を統合した。
• 自己一貫した電離と冷却を伴う、UV放射照射下での運動方程式、エネルギー収支、化学種の進化を解く。
• 放射線輸送は平面平行幾何学を仮定し、電離化（EUV）および非電離化（FUV）放射場の両方を考慮した。
• 初期ガス密度、到来する放射場（$G_0$）、星のスペクトル型（O、B、A）を変化させたモデルのグリッドを計算した。
• 標準的な流体力学および電離放射線を伴う流体力学のテスト問題に対してコードの妥当性を検証した。
• 光蒸発シナリオでは、低圧の周囲媒体に自由に蒸発する分子雲の端縁を仮定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光蒸発は、PDRで観測された高熱的圧力（$P/k_B \sim 10^7{-}10^8\ \mathrm{K\,cm^{-3}}$）を自然に生じさせるか？
• RQ2 光蒸発メカニズムは、到来するFUV場（$G_0$）と圧力の間の観測された線形相関を再現できるか？
• RQ3 PDRにおけるトレーサー間の観測された密度対比は、小スケールのクラスタリングではなく、光蒸発に起因する連続的な密度勾配によってよりよく説明できるか？
• RQ4 衝撃は光蒸発プロセスにおいてどのような役割を果たし、PDR構造にどのように影響を与えるか？
• RQ5 星のスペクトル型と$G_0$は、光蒸発PDRにおける圧力と流れのダイナミクスにどのように影響を与えるか？

主な発見

• 光蒸発はPDRで高熱的圧力を生じさせ、$P/k_B \sim 10^7{-}10^8\ \mathrm{K\,cm^{-3}}$となり、ハーシェルおよびアルマによる観測結果と整合的である。
• 線形な$P$-$G_0$相関が自然に再現され、星のスペクトル型に応じて$P/G_0$比の系統的シフトが生じ、より高温の星が単位$G_0$あたりの高圧力をもたらす。
• PDR内の圧力勾配は弱く（最大2倍程度）、定圧PDRモデルが定密度モデルよりもより良い近似であることを支持する。
• 温い分子層と原子層の間には強い密度勾配が存在し、原子領域の密度は1〜2桁低く、クラスタリングを仮定せずとも観測されたトレーサー間の対比を説明できる。
• 光蒸発フロントの手前に、低速度の衝撃（0.5〜7 km/s）が分子雲内に進む。この衝撃により、ガスは数倍から数百度に圧縮される。
• 特定の条件下では中性光蒸発フローが存在しうることを示唆し、特にイオン化領域に直接隣接しないPDRにおける[C ii] 158 μmなどのトレーサーに観測的シグネチャが現れる可能性がある。