[論文レビュー] The Chemistry of the Early Universe

Daniele Galli, F. Palla|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 1998

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 3被引用数 160

ひとこと要約

本稿では、赤方偏移 z = 10⁴ から z = 0 にかけての初期宇宙における 21 種の分子種の形成と進化を包括的かつレートベースの化学ネットワークでモデル化した。反応速度の更新と H 再結合の改善を組み込み、先行研究と比較して残留イオン化が 2–3 倍低減された。これにより H₂ や HD の生成量も低下し、宇宙論的シミュレーションに適用可能な H₂、HD、LiH の高精度な冷却関数が得られた。

ABSTRACT

The process of molecule formation in the primordial gas is considered in the framework of Friedmann cosmological models from redshift z=1e4 to z=0. First, a comprehensive analysis of 87 gas phase reaction rates (both collisional and radiative) relevant in the physical environment of the expanding universe is presented and critically discussed. On this basis, calculations are carried out of the abundance of 21 molecular species as function of redshift evaluating consistently the molecular heating and cooling due to H2, HD and LiH molecules. One of the major improvements of this work is the use of a better treatment of H recombination that leads to a reduction of a factor 2-3 in the abundance of electrons and H+ at freeze-out, with respect to previous studies. We find that in the standard model, the residual fractional ionization at z=1 is 3.02e-4, and the main molecular species fractional abundances H2/H=1.1e-6, HD/H2=1.1e-3, HeH+/H=6.2e-13, LiH+/H=9.4e-18, and LiH/LiH+=7.6e-3. Finally, we provide accurate cooling functions of H2, HD and LiH in a wide range of density and temperature that can be conveniently used in a variety of cosmological applications.

研究の動機と目的

• 膨張するフレリッドマン宇宙における原始化学に関連する 87 個の気相反応速度について、包括的かつ批判的な分析を提供すること。
• 宇宙論的パラメータを変化させた条件下で、H₂、HD、HeH⁺、LiH、LiH⁺ などを含む 21 種の原子・分子種の赤方偏移依存的生成分率をモデル化すること。
• H 再結合の取り扱いを改善し、従来のモデルと比較して残留電子および H⁺ 生成分率を 2–3 倍低減すること。
• 宇宙論的シミュレーションに使用可能な、広範な密度および温度範囲における H₂、HD、LiH の高精度なフィットベース冷却関数を導出すること。
• H₂、HD、HeH⁺、LiH、LiH⁺ の主要反応経路に焦点を当てた最小限の化学ネットワークを構築し、外部放射場下での熱的・化学的進化の効率的モデリングを可能とすること。

提案手法

• 最新の理論的・実験的速度係数を用いて、H、D、He、Li 種に関する 87 個の気相反応（衝突および放射的反応）を含む詳細な化学ネットワークを構築した。
• 宇宙論的モデル（Ω₀、η、H₀ を変化させたもの）を用いて、z = 10⁴ から z = 0 までの一連の生成分率の連立速度方程式を解いた。
• 更新された原子データを組み込んだことで、凍結時の残留イオン化が低減された H 再結合の取り扱いを改善した。
• H₂、HD、LiH による分子加熱および冷却速度を、回転遷移および衝突励起を考慮して計算した。
• 宇宙論的シミュレーションに使用可能な冷却関数として、解析的式（例：式 A5–A7、多項式フィット）を用いて H₂、HD、LiH の冷却関数をフィットした。
• H₂、HD、HeH⁺、LiH、LiH⁺ の主要反応経路に焦点を当てた最小化学ネットワークを構築し、外部放射場下での熱的・化学的進化の効率的モデリングを可能とした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 更新された反応速度係数および改善された H 再結合の取り扱いが、原始分子の予測生成分率に与える影響は何か？
• RQ2 電子および陽子が触媒として機能するという前提のもと、残留イオン化が H₂ やその他の初期分子の形成に与える影響は何か？
• RQ3 H₂、HD、LiH の冷却関数は温度および密度にどのように依存するか？また、原始ガスの熱的進化を制御する役割は何か？
• RQ4 簡略化化学ネットワークは、フルモデルの結果を正確に再現できるか？また、宇宙論的応用における高速計算を可能にするか？
• RQ5 HeH⁺ および LiH 種の生成分率は、η（バリオン対光子比）および Ω₀ などの宇宙論的パラメータにどのように依存するか？

主な発見

• H 再結合の取り扱いの改善により、z = 1 における残留電子および H⁺ 生成分率は、従来の研究と比較して 2–3 倍低減された。
• 標準モデル（h = 0.67、η₁₀ = 4.5、Ω₀ = 1）において、z = 1 における残留分率イオン化は [e/H] = 3.02 × 10⁻⁴ であった。
• z = 1 における主な分子生成分率は、[H₂/H] = 1.1 × 10⁻⁶、[HD/H₂] = 1.1 × 10⁻³、[HeH⁺/H] = 6.2 × 10⁻¹³、[LiH⁺/H] = 9.4 × 10⁻¹⁸、[LiH/LiH⁺] = 7.6 × 10⁻³ であった。
• 150 K 未満の温度では HD が主な冷却剤となり、より高い温度では H₂ が主な加熱源となる。
• LiH の冷却関数は、log T_g に関する多項式フィットでよく記述され、係数は c₀ = –31.47、c₁ = 8.817、c₂ = –4.144、c₃ = 0.8292、c₄ = –0.04996 である。
• フルモデルの結果を正確に再現できる最小化学ネットワークが開発され、外部放射場下での原始ガスの効率的モデリングが可能となった。