[논문 리뷰] A far UV study of interstellar gas towards HD34078: high excitation H2 and small scale structure - Based on observations performed by the FUSE mission and at the CFHT telescope

P. Boissé, Franck Le Petit외 6명|arXiv (Cornell University)|2004. 08. 03.

Atmospheric Ozone and Climate인용 수 26

한 줄 요약

이 연구는 HD 34078의 5개의 FUSE 및 CFHT 원거리 자외선 스펙트럼을 사용하여 간격이 작은 구조를 은하간 H₂에서 조사한다. 두 성분을 식별한다: HD 34078의 전방에 위치한 반투명한 구름과, O형 항성에 의해 강한 자외선 조사를 받는 밀도가 높은 층으로, 이 층에서 매우 높은 진동 및 회전 상태의 H₂(최대 v=2, J=11)가 생성된다. J=0,1,2에 대해선 선형형태의 변화가 미미하며(ΔN/N ≤ 5%), 고진동 상태(J가 높은 경우)에선(≤30%) 변화가 적어, 5–50 AU 척도에서 H₂의 분포가 매끄럽고 안정되어 있음을 시사하며, 강한 소규모 밀도 변동은 배제된다.

ABSTRACT

To investigate the presence of small scale structure in the spatial distribution of H2 molecules we have undertaken repeated FUSE UV observations of the runaway O9.5V star, HD34078. In this paper we present five spectra obtained between January 2000 and October 2002. These observations reveal an unexpectedly large amount of highly excited H2. Column densities for H2 levels from (v = 0, J = 0) up to (v = 0, J = 11) and for several v = 1 and v = 2 levels are determined. These results are interpreted in the frame of a model involving essentially two components: i) a foreground cloud (unaffected by HD34078) responsible for the H2 (J = 0, 1), CI, CH, CH+ and CO absorptions; ii) a dense layer of gas (n = 10E4 cm-3) close to the O star and strongly illuminated by its UV flux which accounts for the presence of highly excited H2. Our model successfully reproduces the H2 excitation, the CI fine-structure level populations as well as the CH, CH+ and CO column densities. We also examine the time variability of H2 absorption lines tracing each of these two components. From the stability of the J = 0, 1 and 2 damped H2 profiles we infer a 3 sigma upper limit on column density variations Delta(N(H2))/N(H2) of 5% over scales ranging from 5 to 50 AU. This result clearly rules out any pronounced ubiquitous small scale "density" structure of the kind apparently seen in HI. The lines from highly excited gas are also quite stable (equivalent to Delta(N)/N <= 30%) indicating i) that the ambient gas through which HD34078 is moving is relatively uniform and ii) that the gas flow along the shocked layer is not subject to marked instabilities

연구 동기 및 목표

• 반복적인 원거리 자외선 관측을 통해 은하간 H₂ 분포의 소규모 구조를 탐색한다.
• 분자 기체가 AU 척도의 밀도 변동이나 화학적 비균질성을 보이는지 여부를 규명한다.
• HD 34078 향한 H₂, CH, CH⁺, CO 및 CI의 진동 상태 및 열역학적 농도를 모델링한다.
• 흡수선의 시간 변화를 통해 은하간 매질의 동적 안정성을 추적한다.
• 이중 성분 모델(전방의 반투명한 구름과 HD 34078 근처의 충격을 받고 밀도가 높은 층)을 검증한다.

제안 방법

• 2000년 1월부터 2002년 10월까지 5개의 FUSE 원거리 자외선 스펙트럼을 확보하여 흡수선의 시간 변화를 모니터링한다.
• 스펙트럼 피팅을 통해 H₂ 준위의 농도(예: v=0, J=0에서 11; v=1,2)를 유도한다.
• 이중 성분 모델을 적용: HD 34078의 영향을 받지 않는 전방 구름과 O형 항성 근처의 밀도가 높고 자외선 조사가 강한 층.
• 충격을 받는 층에서 광방출에 의한 자극을 고려한 복사 전달 모델을 사용하여 진동 온도와 농도를 피팅한다.
• H₂, CI, CH, CH⁺ 및 CO 선의 시간 변화를 측정하여 5–50 AU 척도에서의 안정성을 평가한다.
• 관측된 진동 상태도 및 CI의 미세구조 준위 분포를 재현함으로써 모델을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CH 및 CO와 같은 미세종들이 제기하는 바와 같이, 은하간 매질에서 H₂ 분포가 1–100 AU 척도의 소규모 밀도 구조를 보이는가?
• RQ2 HD 34078의 시선 방향에서 관측된 매우 높은 진동 상태의 H₂ 분자는 무엇에 의해 발생하는가?
• RQ3 HD 34078가 이동하는 매질이 흡수선의 시간 변화로 나타나는 바와 같이 AU 척도에서 동적 안정성을 보이는가?
• RQ4 관측된 H₂, CH, CH⁺, CO 및 CI의 진동 상태와 농도는 전방 구름과 충격을 받고 밀도가 높은 층을 포함하는 이중 성분 모델로 설명될 수 있는가?
• RQ5 CH 농도가 알려진 10년 주기로 증가하는 것과 관련하여 H₂ 농도에 장기적인 변화가 있는가?

주요 결과

• 밀도가 높고 자외선 조사가 강한 층이 존재하는 모델은 HD 34078 근처에서 n ≈ 10⁴ cm⁻³이며 광방출에 의한 자극이 강한 조건에서 H₂ 진동 상태도 잘 재현된다.
• H₂의 대부분(J=0,1), CH, CH⁺, CO 및 CI 흡수선은 약 380 pc 거리에 위치한 전방의 반투명한 구름에서 기인한다.
• 감쇠된 H₂ 선(J=0,1,2)은 시간 변화가 미미하며, 5–50 AU 척도에서 ΔN(H₂)/N(H₂)의 3σ 상한선은 ≤ 5% 이하이다.
• 매우 높은 진동 상태의 H₂ 선(최대 v=2, J=11) 역시 최소한의 변화를 보이며, ΔN/N ≤ 30% 이하로 안정된 충격 층을 시사한다.
• 선형형태의 뚜렷한 변화가 없음은, HI에서 관측된 바와 유사하게 강한 광범위한 소규모 밀도 변동이 존재하지 않음을 배제한다.
• 모델은 모든 주요 종의 관측된 농도와 진동 상태를 잘 재현하여 이중 성분 시나리오를 지지한다.