[논문 리뷰] Full SED fitting with the KOSMA-τ PDR code - I. Dust modelling

M. Röllig, R. Szczerba외 2명|2012. 11. 15.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 51인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 KOSMA-τ PDR 코드를 개선하여 간접성 있는 성질을 갖는 간성성-dust 물리 모델링을 통합하고, MCDRT 복사전달 코드와 연계하여 먼지 가열, 냉각 및 표면에서의 H2 형성 과정을 모델링한다. 주요 발전은 먼지 표면에서의 H2 형성에 Eley-Rideal 메커니즘을 포함한 것으로, 이는 외부 클라우드 층에서의 가열을 크게 증가시키며, 특히 다환화합물(PAHs)이 존재할 경우 고-자기수준(J) CO 선 방출을 강화한다.

ABSTRACT

We revised the treatment of interstellar dust in the KOSMA-τ PDR model code to achieve a consistent description of the dust-related physics in the code. The detailed knowledge of the dust properties is then used to compute the dust continuum emission together with the line emission of chemical species. We coupled the KOSMA-τ PDR code with the MCDRT (multi component dust radiative transfer) code to solve the frequency-dependent radiative transfer equations and the thermal balance equation in a dusty clump under the assumption of spherical symmetry, assuming thermal equilibrium in calculating the dust temperatures, neglecting non-equilibrium effects. We updated the calculation of the photoelectric heating and extended the parametrization range for the photoelectric heating toward high densities and UV fields. We revised the computation of the H2 formation on grain surfaces to include the Eley-Rideal effect, thus allowing for high-temperature H2 formation. We demonstrate how the different optical properties, temperatures, and heating and cooling capabilities of the grains influence the physical and chemical structure of a model cloud. The most influential modification is the treatment of H2 formation on grain surfaces that allows for chemisorption. This increases the total H2 formation significantly and the connected H2 formation heating provides a profound heating contribution in the outer layers of the model clumps. The contribution of PAH surfaces to the photoelectric heating and H2 formation provides a boost to the temperature of outer cloud layers, which is clearly traced by high-J CO lines. Increasing the fraction of small grains in the dust size distribution results in hotter gas in the outer cloud layers caused by more efficient heating and cooler cloud centers, which is in turn caused by the more efficient FUV extinction.

연구 동기 및 목표

• 세부적인 먼지 복사전달 및 열평형을 통합함으로써 KOSMA-τ PDR 모델 코드 내 먼지 처리의 물리적 일관성을 향상시키기.
• 먼지 성질—특히 입자 크기 분포, PAHs, 표면 화학—이 광분해영역의 열 및 화학적 구조에 미치는 영향을 조사하기.
• 특히 Eley-Rideal 메커니즘을 통한 표면에서의 H2 형성 증가가 기체 가열 및 선 방출에 미치는 영향을 정량화하기.
• 먼지의 광학적 성질이 FUV 차폐, 복사전달 및 최종 스펙트럼 에너지 분포에 미치는 영향을 평가하기.
• 자기일관된 PDR 모델에서 먼지 연속광 및 분자 선 방출을 결합하여 전체 SED 피팅을 가능하게 하기.

제안 방법

• 구형 대칭 조건 하에서 주파수 의존성 복사전달 및 열평형 문제를 해결하기 위해 KOSMA-τ PDR 코드를 MCDRT 코드와 결합.
• 고밀도 및 강한 자외선장에 대한 파arametrization을 확장하여 사진전기 가열 계산을 업데이트.
• Eley-Rideal 메커니즘을 포함하여 먼지 표면에서의 H2 형성 과정을 재검토함으로써, 침착화 및 고온에서의 형성 가능성을 허용.
• 동적 이소토프 종 및 형성/분해 속도 균형을 포함하기 위해 모듈식 화학 네트워크를 사용.
• 소형 입자에 대한 비평형 효과를 무시하고 열평형 조건 하에서 먼지 온도를 계산.
• 다양한 먼지 모델에 대해 먼지 연속광 및 분자 선 방출(예: CO의 J=50까지)을 포함한 전체 SED를 시뮬레이션.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 먼지 입자 표면에서의 H2 형성에 Eley-Rideal 메커니즘을 포함할 경우, PDR 내 총 H2 형성률과 관련된 가열에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 PAHs와 소형 입자가 사진전기 가열을 얼마나 강화하고, 외부 클라우드 층의 온도 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 먼지 입자 크기 분포 및 조성의 변화가 FUV 흡수곡선과 그로 인한 열구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 표면에서의 H2 형성 가열 증가가 고-자기수준(J) CO 선 방출에 어떤 영향을 미치며, 특히 모델 클러스터의 외부 영역에서 어떻게 나타나는가?
• RQ5 PAH 농도 및 입자 크기 분포와 같은 먼지 성질을 조정함으로써 관측된 고-자기수준(J) CO 선 세기 수준을 모델이 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 먼지 표면에서의 H2 형성에 Eley-Rideal 메커니즘을 포함함으로써, 특히 매우 작은 입자 및 PAHs에서 총 H2 형성률이 크게 증가한다.
• H2 형성 가열은 PAHs가 존재할 경우 특히 외부 클러스터 층에서 주요 가열원이 되며, 이로 인해 기체 온도가 상승한다.
• WD01-7 먼지 모델(R_V = 3.1)은 H2 형성과 사진전기 가열에 유리한 표면적을 제공하여 고-자기수준(J ≥ 10) CO 방출선이 가장 강하다.
• PAHs가 없는 MRN 먼지 모델은 고-자기수준 CO 방출선이 약하며, WD01-7 모델과 WD01-25 모델(표면에서 H2 형성 없음) 사이의 중간 수준의 방출선 세력을 보인다.
• 소형 입자 비율을 증가시키면 사진전기 가열 증가로 인해 외부 클라우드 층이 더 뜨거워지지만, FUV 흡수 증가로 인해 클라우드 중심부는 더 차가워진다.
• 고-자기수준 CO 선은 H2 형성 가열 및 PAH 표면 기여도의 가장 민감한 추적자이며, [CII] 방출선은 내부 및 외부 영역에 모두 민감하므로 더 신뢰할 수 없다.