[論文レビュー] UV-driven chemistry in simulations of the interstellar medium. I. Post-processed chemistry with the Meudon PDR code

François Lévrier, Franck Le Petit+4 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 45被引用数 28

ひとこと要約

本研究は、磁気流体力学（MHD）シミュレーションをMeudon PDRコードで後処理することで、拡散性銀河間媒体におけるUV駆動化学を調査し、現実的な密度揺動が分子濃度に与える影響を評価する。密度変動を考慮に入れることでCOの柱密度が2–4倍に増加し、観測されたH2–CO相関とより一致するようになり、一様密度のときの勾配14から密度揺動のときの5.2に減少する。また、分子ガスの35–40％がCO J=1→0では検出されない「ダーク分子ガス」として特定される。

ABSTRACT

Our main purpose is to estimate the effect of assuming uniform density on the line-of-sight in PDR chemistry models, compared to a more realistic distribution for which total gas densities may well vary by several orders of magnitude. A secondary goal of this paper is to estimate the amount of molecular hydrogen which is not properly traced by the CO (J = 1 -> 0) line, the so-called "dark molecular gas". We use results from a magnetohydrodynamical (MHD) simulation as a model for the density structures found in a turbulent diffuse ISM with no star-formation activity. The Meudon PDR code is then applied to a number of lines of sight through this model, to derive their chemical structures. It is found that, compared to the uniform density assumption, maximal chemical abundances for H2, CO, CH and CN are increased by a factor 2 to 4 when taking into account density fluctuations on the line of sight. The correlations between column densities of CO, CH and CN with respect to those of H2 are also found to be in better overall agreement with observations. For instance, at N(H2) > 2.10^{20} cm-2, while observations suggest that d[log N(CO)]=d[log N(H2)] = 3.07 +/- 0.73, we find d[log N(CO)]=d[log N(H2)] =14 when assuming uniform density, and d[log N(CO)]=d[log N(H2)] = 5.2 when including density fluctuations.

研究の動機と目的

• PDRモデルで一般的に仮定される一様密度とは異なり、現実的な密度揺動が拡散性銀河間媒体におけるUV駆動化学に与える影響を評価すること。
• MHDシミュレーションから得られる空間的に変化する密度構造を組み込むことで、特にCOのような分子濃度の観測値の再現性を向上させること。
• 現在の観測感度の下でCO(J=1→0)放射によって検出されない分子ガスの割合（「ダーク分子ガス」として定義される）を推定すること。
• MHDシミュレーションにおける化学的時定数と力学的・通過時定数を比較することで、PDRモデルにおける定常状態仮定の妥当性を検証すること。

提案手法

• アダプティブメッシュリファインメント（AMR）を用いたRAMSESコードを用いて、乱流を伴う非一様な銀河間媒体の3次元磁気流体力学（MHD）シミュレーションを実行する。
• 各1次元線貫通方向における実際の密度および放射場プロファイルを用い、Meudon PDRコードを用いてMHDシミュレーション内の複数の線貫通方向に対して化学的進化を計算する。
• 気相反応および表面反応を含む99種の物質と1362本の反応を含む包括的な化学ネットワークを用い、UV放射を主エネルギー源とする。
• 局所的電離平衡を仮定し、FUV放射場（χ = 1）を入力として、各線貫通方向に沿った定常状態化学的進化を解くことで後処理を実施する。
• H2、CO、CH、CNなどの主要な物質の柱密度を計算し、観測データと比較してH2–CO相関の勾配を評価する。
• CO(J=1→0)の柱密度が現在の検出限界未満であるとされるH2の割合として「ダーク分子ガス」を推定し、感度閾値10^14 cm⁻²を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 乱流的かつ非一様なISMにおける密度揺動が、一様密度モデルと比較してCOやその他の主要分子の予測柱密度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 現実的な密度構造を組み込むことで、シミュレートされたH2–CO柱密度相関と観測データとの一致度がどの程度向上するか？
• RQ3 CO(J=1→0)放射によって低CO濃度のため検出されない分子ガスの割合はどれくらいで、H2柱密度に応じてどのように変化するか？
• RQ4 化学的生成時定数と力学的進化時定数を比較した場合、乱流的かつ進化を続けるISM構造におけるPDR化学の定常状態仮定は妥当か？

主な発見

• 一様密度モデルと比較して、密度揺動を考慮に入れることで、シミュレートされた線貫通方向におけるCO最大柱密度が2–4倍に増加する。
• H2–CO相関の勾配は、一様密度のときの14から密度揺動のときの5.2に低下し、観測された勾配3.07 ± 0.73とより一致するようになる。
• H2柱密度が≥ 2×10²⁰ cm⁻²の領域では、密度揺動を考慮したモデルが一様密度仮定よりも観測されたH2–CO相関をより正確に再現する。
• 密度の高い領域（nH ≥ 10³ cm⁻³）では、分子ガスの35–40％が「ダーク」として分類される——つまり、現在の感度限界ではCO(J=1→0)放射によって検出されない。
• [CII] 158 μm線は、シミュレートされた領域において総H2と良好に相関するため、このダーク分子ガスの有効な tracer であると特定された。
• 元のMHDシミュレーションで用いられた簡略化された冷却モデルは、Meudon PDRコードでより詳細な冷却プロセスを用いて計算されたガス温度と妥当な一致を示した。