[論文レビュー] The penetration of FUV radiation into molecular clouds

J. R. Goicoechea, J. Le Bourlot|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2007

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 45被引用数 57

ひとこと要約

本稿は、深さに依存するダスト特性とガス線吸収を考慮した分子雲における準赤外線（FUV）放射線輸送をモデル化するため、球面調和関数法を拡張する。粒径成長がアルベドと非等方的散乱を向上させることで、FUVの浸透深さが増加し、視覚的減光量が高くなる（A_V > 1）領域では、放射場の強度とそれに続く光化学反応に数個のオーダーの差が生じることを示している。

ABSTRACT

The solution of the FUV radiative transfer equation can be complicated if the most relevant radiative processes such as dust scattering and gas line absorption are included, and have realistic (non-uniform) properties. We have extended the spherical harmonics method to solve for the FUV radiation field in illuminated clouds taking into account gas absorption and coherent, nonconservative and anisotropic scattering by dust grains. Our formalism allows us to consistently include: (i) varying dust populations and (ii) gas lines in the FUV radiative transfer. The FUV penetration depth rises for increasing dust albedo and anisotropy of the scattered radiation (e.g. when grains grow towards cloud interiors). Illustrative models of illuminated clouds where only the dust populations are varied confirm earlier predictions for the FUV penetration in diffuse clouds (A_V<1). For denser and more embedded sources (A_V>1) we show that the FUV radiation field inside the cloud can differ by orders of magnitude depending on the grain properties. We show that the photochemical and thermal gradients can be very different depending on grain growth. Therefore, the assumption of uniform dust properties and averaged extinction curves can be a crude approximation to determine the resulting scattering properties, prevailing chemistry and atomic/molecular abundances in ISM clouds or protoplanetary disks.

研究の動機と目的

• 深さに依存するダスト特性とガス線吸収を考慮することで、分子雲におけるFUV放射線輸送のより現実的なモデルの構築を目的とする。
• 一様なダスト特性を仮定し、ガス線吸収を無視する伝統的な放射線輸送手法の限界を是正することを目的とする。
• VSG（非常に小さなダスト粒子）からBG（大きなダスト粒子）へのダスト粒子の進化が、FUVの浸透および照射された雲の物理的・化学的構造に与える影響を調査することを目的とする。
• 光分解領域（PDR）、原始惑星系円盤、および高密度分子雲における光化学的および熱的構造予測の精度を向上させることを目的とする。
• 新規形式を公開済みのMeudon PDRコードに実装し、広くコミュニティが利用可能かつモデルの妥当性検証が可能となるようにすることを目的とする。

提案手法

• 平面平行幾何における深さに依存する係数（ダスト減光、アルベド、散乱相関関数）を扱えるように、球面調和関数法を拡張する。
• ダスト粒子による一様でなく、非保存的かつ非等方的散乱を組み込み、ダスト集団の進化を現実的に扱えるようにする。
• H、H₂、COからの離散的ガス線吸収を含む。これは高い光学的厚さに達し、飽和する可能性があり、FUV透過率に顕著な影響を与える。
• 放射線輸送方程式を、放射強度のルジャンドル多項式展開を用いて解き、モンテカルロ法やレイトレーシングと比較して計算が高速化できる。
• 観測的制約（高A_Vで減光曲線が平坦化する現象）に基づき、視覚的減光量（A_V）に従ってダスト特性が進化する粒径成長モデルを導入する。
• 形式をMeudon PDRコードに実装し、公開可能にし、PDRや原始惑星系円盤などの天体的環境への応用とモデル検証を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非常に小さなダスト粒子（VSG）から大きなダスト粒子（BG）への粒径成長が、分子雲内でのFUV放射の浸透深さにどのように影響を与えるか？
• RQ2 視覚的減光量が高くなる（A_V > 1）領域において、ダストのアルベドや散乱の非等方性の変化が、雲内部のFUV放射場にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 深さに依存するダスト集団とガス線吸収が、FUV照射下の媒体における光イオン化および光分解速度にどのように共同で影響を与えるか？
• RQ4 非一様な減光曲線（例：高A_Vで平坦化する）が、分子雲の物理的および化学的構造に与える影響は何か？
• RQ5 一様なダスト特性および平均減光則を仮定することは、銀河間空間および原始惑星系円盤における原子および分子の同位体割合の予測にどのような影響を及えるか？

主な発見

• FUVの浸透深さは、ダストのアルベドと散乱の非等方性が高くなるにつれて顕著に増加し、特に高減光領域で粒子が大きくなるに従って顕著になる。
• A_V > 1 の雲では、FUV放射場の強度がダストの性質に大きく依存し、特にVSGからBGへの遷移に伴い、数個のオーダーの差が生じる。
• C⁺/CおよびC⁺/COの同位体割合は、仮定されるダスト集団に応じて最大で約10倍の差を示すことがあり、化学反応がダスト特性に強く依存することを示している。
• 散光雲（A_V = 1）では、VSGからMRNへの遷移と比較して、MRNからBGへの遷移を仮定したモデルでは、雲表面での平均強度が約20%高い。これは、強化された後方散乱によるものである。
• 力学的温度、H₂の光分解速度、Cの光イオン化速度、COの光分解速度は、すべてのダストモデル間で顕著な差を示し、特にA_Vが高い領域で顕著である。
• 本モデルは、光化学的および熱的勾配がダストの成長に強く依存することを明らかにした。これは、放射線輸送および化学モデルにおいて、一様または平均減光則を用いることの妥当性を疑問視するものである。