[논문 리뷰] Dust processing in photodissociation regions - Mid-IR emission modelling

M. Compiègne, A. Abergel외 2명|ArXiv.org|2008. 09. 29.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 72인용 수 32

한 줄 요약

이 연구는 스피츠너와 아이소 데이터를 사용하여 광분리영역(PDRs) 내 중적외선 먼지 방출을 모델링하며, 방사선 전달과 먼지 방출 모델을 결합하여 먼지 진화의 영향과 자극 효과를 분리한다. 결과적으로, 말굽 성운에서는 밀도가 높은 영역으로 갈수록 PAH/VSG 농도 비율이 2.4배 감소하고, NGC2023 북부에서는 약 5배 감소함을 확인하여 소규모 공간 스케일에서 먼지 처리가 빠르게 일어남을 시사한다.

ABSTRACT

Mid-infrared spectroscopy of dense illuminated ridges (or photodissociation regions, PDRs) suggests dust evolution. Such evolution must be reflected in the gas physical properties through processes like photo-electric heating or H_2 formation. With Spitzer Infrared Spectrograph (IRS) and ISOCAM data, we study the mid-IR emission of closeby, well known PDRs. Focusing on the band and continuum dust emissions, we follow their relative contributions and analyze their variations in terms of abundance of dust populations. In order to disentangle dust evolution and excitation effects, we use a dust emission model that we couple to radiative transfer. Our dust model reproduces extinction and emission of the standard interstellar medium that we represent with diffuse high galactic latitude clouds called Cirrus. We take the properties of dust in Cirrus as a reference to which we compare the dust emission from more excited regions, namely the Horsehead and the reflection nebula NGC 2023 North. We show that in both regions, radiative transfer effects cannot account for the observed spectral variations. We interpret these variations in term of changes of the relative abundance between polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs, mid-IR band carriers) and very small grains (VSGs, mid-IR continuum carriers). We conclude that the PAH/VSG abundance ratio is 2.4 times smaller at the peak emission of the Horsehead nebula than in the Cirrus case. For NGC2023 North where spectral evolution is observed across the northern PDR, we conclude that this ratio is ~5 times lower in the dense, cold zones of the PDR than in its diffuse illuminated part where dust properties seem to be the same as in Cirrus. We conclude that dust in PDRs seems to evolve from "dense" to "diffuse" properties at the small spatial scale of the dense illuminated ridge.

연구 동기 및 목표

• 스피츠너와 아이소 데이터를 활용하여 말굽 성운과 NGC2023 북부와 같은 밀도가 높고 조명을 받는 PDR의 중적외선 스펙트럼 변화를 이해하기 위해.
• 중적외선 방출 스펙트럼에서 방사선 전달에 의한 자극 효과와 실제 먼지 진화의 영향을 분리하기 위해.
• 관측된 스펙트럼 변화를 설명하기 위해 PAH와 매우 작은 입자(very small grains, VSGs)의 상대 농도 변화가 기여하는지 확인하기 위해.
• 편미분 고은도성 우주 먼지(Cirrus 먼지)를 기준으로 하여 PDR 내 먼지 성질 변화를 정량화하기 위해.
• PDR 내 먼지 진화가 은하에서 PAH 기반의 별 형성률 지표를 해석하는 데 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• Désert 등(1990)의 모델에 기반한 먼지 방출 모델을 사용하여 희박한 간성간매체(Cirrus 먼지)의 감쇠 및 방출을 재현한다.
• 모델을 방사선 전달 코드와 결합하여 PDR 내 이방성 자외선 복사장에 의해 먼지 입자가 자극받는 과정을 시뮬레이션한다.
• 관측된 스펙트럼과 모델 예측 간에 중적외선 스펙트럼 프로파일(7–9 μm에서 PAH 밴드, 22–24 μm에서 연속스펙트럼)을 비교한다.
• 관측된 스펙트럼 형태에 맞추기 위해 PAH와 VSG의 상대 농도를 변화시켜 자극 효과에서 먼지 진화를 분리한다.
• 스피츠너-IRS의 공간 해상도가 높은 스펙트럼을 사용하여 NGC2023 북부의 희박한 조명을 받는 가장자리와 밀도가 높고 차가운 영역 간의 먼지 성질을 비교한다.
• 모델은 PAH와 VSG가 5–35 μm 스펙트럼을 지배하며, 별 주변의 공동 부근에서는 배경 연속스펙트럼이 중요해진다고 가정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 방사선 전달 효과가 PDR 내 관측된 7–9 μm(PAH) 대비 22–24 μm(중적외선 연속스펙트럼) 방출 비율 감소를 어느 정도 설명할 수 있는가?
• RQ2 NGC2023 북부의 밀도가 높고 조명을 받는 등산부에서 PAH와 VSG의 상대 농도는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 말굽 성운의 먼지는 Cirrus 유사 성질을 갖는가, 아니면 상당한 처리를 겪은 것으로 보이는가?
• RQ4 PDR 내 희박한 영역에서 밀도가 높은 영역으로 갈수록 관측된 PAH/VSG 농도 감소를 이끄는 물리적 과정은 무엇인가?
• RQ5 PDR 내 먼지 진화가 은하에서 PAH 방출을 별 형성률 지표로 해석하는 데 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 방사선 전달 효과만으로는 말굽 성운과 NGC2023 북부의 중적외선 방출에서 관측된 스펙트럼 변화를 설명할 수 없다.
• 말굽 성운에서 최대 방출 피크 부근에서는 Cirrus 기준 사례 대비 PAH/VSG 상대 농도가 2.4배 낮다.
• NGC2023 북부에서는 희박한 조명을 받는 가장자리에서 밀도가 높고 차가운 내부 영역으로 갈수록 PAH/VSG 농도 비율이 약 5배 감소한다.
• NGC2023 북부의 희박하고 조명을 받는 부분의 먼지 성질은 Cirrus 먼지와 일치하여 그곳에서는 상당한 처리가 일어나지 않았음을 시사한다.
• 관측된 스펙트럼 진화는 작은 공간 스케일(밀도가 높고 조명을 받는 등산부)에서 발생하여 '밀도가 높은' 상태에서 '희박한' 상태 유사 성질로의 빠른 먼지 처리가 일어남을 시사한다.
• PAH 농도 감소는 PAH 클러스터의 광증발, 먼지 응집체에서의 분해합성, 또는 자외선에 의해 알리파틱에서 아로마틱 탄화수소로의 전환과 같은 시나리오와 일치한다.