[논문 리뷰] Evolution of dust in the Orion Bar with Herschel: I. Radiative transfer modelling

H. Arab, A. Abergel외 6명|arXiv (Cornell University)|2012. 02. 08.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 27인용 수 50

한 줄 요약

이 연구는 허셀 PACS 및 SPIRE 광도 관측을 사용하여 오리온 바 파쇄면역영역(PDR) 전역에서 먼지 방출을 맵핑하고, DustEM 코드를 활용한 복사전달 모델링을 통해 먼지의 진화를 추적한다. 이는 약 80 K에서 40 K로 변화하는 온도 기울기와 밀도가 높은 영역에서 1.1에서 2.0으로 증가하는 발광 지수 β를 드러내며, 이는 입자 성장과 응집을 시사한다. 관측된 SED를 적합하기 위해 휘발성 유기 화합물(PAH)의 감소와 발광성 증가가 필요하다.

ABSTRACT

Interstellar dust is a key element in our understanding of the interstellar medium and star formation. The manner in which dust populations evolve with the excitation and the physical conditions is a first step in the comprehension of the evolution of inter- stellar dust. Within the framework of the Evolution of interstellar dust Herschel key program, we have acquired PACS and SPIRE spec- trophotometric observations of various photodissociation regions, to characterise this evolution. The aim of this paper is to trace the evolution of dust grains in the Orion Bar photodissociation region. We use Herschel/PACS (70 and 160 mic) and SPIRE (250, 350 and 500 mic) together with Spitzer/IRAC observations to map the spatial distribution of the dust populations across the Bar. Brightness profiles are modelled using the DustEM model coupled with a radiative transfer code. Thanks to Herschel, we are able to probe finely the dust emission of the densest parts of the Orion Bar with a resolution from 5.6" to 35.1". These new observations allow us to infer the temperature of the biggest grains at different positions in the Bar, which reveals a gradient from \sim 80 K to 40 K coupled with an increase of the spectral emissivity index from the ionization front to the densest regions. Combining Spitzer/IRAC observations, which are sensitive to the dust emission from the surface, with Herschel maps, we have been able to measure the Orion Bar emission from 3.6 to 500 mic. We find a stratification in the different dust components which can be re- produced quantitatively by a simple radiative transfer model without dust evolution. However including dust evolution is needed to explain the brightness in each band. PAH abundance variations, or a combination of PAH abundance variations with an emissivity enhancement of the biggest grains due to coagulation give good results.

연구 동기 및 목표

• 다양한 복사 및 물리 조건 하에서 오리온 바 광분해면역영역(PDR) 내 먼지 집단의 진화를 특성화하기.
• 다중 파장 관측을 통해 PDR 전역에서 먼지 입자 특성—예를 들어 온도, 발광 지수 β, 농도—의 변화를 규명하기.
• 기본적인 희박한 은하간간성간성(ISM) 먼지 특성이 관측된 SED를 재현할 수 있는지 평가하기, 또는 먼지 진화(예: 응집, PAH 감소)가 필요한지 확인하기.
• 복사전달 효과와 본질적 먼지 진화가 관측된 공간적 및 스펙트럼적 방출 구조를 형성하는 데 어떤 역할을 하는지 조사하기.

제안 방법

• 5.6″에서 35.1″의 공간 해상도를 갖는 허셀/PACS(70, 160 µm) 및 SPIRE(250, 350, 500 µm) 스펙트로광도 맵을 오리온 바에 대해 확보하였다.
• 3.6 µm에서 500 µm까지 전체 SED를 커버하기 위해 허셀 데이터와 스피처/IRAC 3.6 µm 관측을 융합하였다.
• 모든 맵을 동일한 빔으로 정렬하기 위해 컨volution 커널 방법을 개발하여 바 전역에서 일관된 SED 추출을 가능하게 하였다.
• 기본적인 희박한 은하간간성간성(ISM) 먼지 농도와 광학적 특성을 사용하여 먼지 방출을 시뮬레이션하기 위해 DustEM 모델과 복사전달 코드를 결합하였다.
• 관측된 밝기 프로파일에 적합하기 위해 PAH 농도, 입자 발광성(β), 시선 경로 길이 등의 모델 파라미터를 변화시켰다.
• 응집(발광성 증가)과 PAH 감소와 같은 먼지 진화 메커니즘이 모델-데이터 일치도에 미치는 영향을 시험하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 오리온 바 PDR에서 이온화면에서 가장 조밀한 영역으로 갈수록 먼지 온도와 스펙트럼 발광 지수 β는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 먼지 진화를 고려하지 않고도 표준 희박한 은하간간성간성(ISM) 먼지 특성으로 관측된 SED를 얼마나 잘 재현할 수 있는가?
• RQ3 특히 3.6 µm와 적외선 원거리 영역에서 관측된 적외선 밝기의 해석에 있어 PAH 감소 또는 응집은 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 3.6 µm와 500 µm 간에 관측된 피크 방출 위치의 30″ 이격 현상은 복사전달 효과 때문인지, 아니면 본질적 먼지 구조화 때문인가?
• RQ5 단일 슬래브 모델이 가장자리가 수직인 기하학적 구조를 통해 관측된 SED를 재현할 수 있는가, 아니면 하위 구조와 다양한 광학 경로 길이가 필요한가?

주요 결과

• 오리온 바의 이온화면에서 약 80 K에서 가장 조밀한 영역으로 갈수록 먼지 온도가 약 40 K로 감소한다.
• PDR 전역에서 발광 지수 β가 약 1.1에서 약 2.0으로 증가하여, 밀도가 높은 지역에서 더 큰, 더 발광성이 높은 입자로의 전이를 시사한다.
• 표준 희박한 은하간간성간성(ISM) 먼지 모델은 원거리 적외선 밝기를 과소평가하고 β 기울기를 재현하지 못하므로, 먼지 진화가 필요하다는 것을 시사한다.
• 기본적인 희박한 은하간간성간성(ISM) 값에서 PAH 농도를 7배 감소시킨 모델이 스피처/IRAC 3.6 µm 방출에 잘 맞는다.
• PAH 감소(7배 이하)와 응집에 의한 발광성 증가(2~3배)의 조합이 허셀 밴드에 대한 모델 적합도를 향상시킨다.
• 3.6 µm와 500 µm 간에 관측된 30″의 피크 방출 위치 이격 현상은 먼지의 층상 구조와 일치하며, 짧은 파장은 표면을, 긴 파장은 더 깊고 차가운 층을 탐지함을 의미한다.