[논문 리뷰] H3+ in Diffuse Interstellar Clouds: a Tracer for the Cosmic-Ray Ionization Rate

Nick Indriolo, T. R. Geballe외 2명|ArXiv.org|2007. 09. 07.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 48인용 수 147

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 적외선 분광법을 사용하여 20개의 희박한 간성간 성운 시선 중 8개에서 H₃⁺를 탐지하여 우주선 이온화율(ζₚ)의 직접적 지표로 활용함을 확인한다. 관측된 H₃⁺의 열역학적 밀도는 평균 ζₚ를 2×10⁻¹⁶ s⁻¹로 이끌어내며, 이는 기존의 표준 값보다 약 10배 높은 수준이다. 이는 이전의 OH 및 HD 기반 추정치에서 발생한 모순을 해소하는 데 기여하며, 이는 잘못된 반응 속도 상수와 간과된 물리적 효과 때문이었다.

ABSTRACT

Using high resolution infrared spectroscopy we have surveyed twenty sightlines for H3+ absorption. H3+ is detected in eight diffuse cloud sightlines with column densities varying from 0.6x10^14 cm^-2 to 3.9x10^14 cm^-2. This brings to fourteen the total number of diffuse cloud sightlines where H3+ has been detected. These detections are mostly along sightlines concentrated in the Galactic plane, but well dispersed in Galactic longitude. The results imply that abundant H3+ is common in the diffuse interstellar medium. Because of the simple chemistry associated with H3+ production and destruction, these column density measurements can be used in concert with various other data to infer the primary cosmic-ray ionization rate, zeta_p. Values range from 0.5x10^-16 s^-1 to 3x10^-16 s^-1 with an average of 2x10^-16 s^-1. Where H3+ is not detected the upper limits on the ionization rate are consistent with this range. The average value of zeta_p is about an order of magnitude larger than both the canonical rate and rates previously reported by other groups using measurements of OH and HD. The discrepancy is most likely due to inaccurate measurements of rate constants and the omission of effects which were unknown when those studies were performed. We believe that the observed column density of H3+ is the most direct tracer for the cosmic-ray ionization rate due to its simple chemistry. Recent models of diffuse cloud chemistry require cosmic-ray ionization rates on the order of 10^-16 s^-1 to reproduce observed abundances of various atomic and molecular species, in rough accord with our observational findings.

연구 동기 및 목표

• 이전에 ζ Per 방향에서만 유추된 증가된 우주선 이온화율이 희박한 성간매체의 일반적 특성인지 여부를 테스트하는 것.
• H₃⁺ 열역학적 밀도를 이용해 주요 우주선 이온화율(ζₚ)을 직접 추정하는 것. 이는 H₃⁺의 단순한 생성 및 파괴 화학 반응을 기반으로 한다.
• OH 및 HD 기반으로 이전에 유도된 ζₚ 추정치 간의 모순을 해결하는 것. 이는 불확실한 반응 속도 상수와 완전하지 못한 반응 네트워크에 기인한다.
• H₃⁺를 기준으로 삼아 여러 희박한 성운 시선에서 관측에 기반한 신뢰할 수 있는 ζₚ 추정치를 제공하는 것.

제안 방법

• 고해상도 적외선 분광법을 UKIRT 망원경의 CGS4 분광계를 사용하여 수행하였으며, 분辨력은 40,000이었다. 이는 20개의 시선에서 H₃⁺ 흡수를 탐지하기 위한 것이다.
• H₃⁺ 열역학적 밀도는 (1,0) 및 (1,1) 회전 준위에서 유도되었으며, 이 상태들의 상대적 분포를 바탕으로 진동 온도를 추정하였다.
• 우주선 이온화율(ζₚ)은 안정 상태 화학 모델을 사용하여 계산되었으며, H₃⁺의 생성은 H₂의 우주선 이온화에 의해 발생하고 파괴는 전자 재결합에 의해 일어난다.
• H₃⁺ 열역학적 밀도의 불확도는 3σ 상한선으로 ζₚ에 대한 영향을 전파하여 처리하였다.
• 이론적 변환 인자(식 10)를 적용하여 관측된 H₃⁺ 열역학적 밀도를 ζₚ로 변환하였으며, 문헌에서 잘 알려진 H₂ 및 H 열역학적 밀도를 사용하였다.
• 이전의 OH 및 HD 기반 추정치와의 체계적 비교를 통해, 오래된 또는 부정확한 반응 속도 상수로 인한 일관성 없는 결과를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이전에 ζ Per 방향에서 관측된 증가된 우주선 이온화율은 희박한 성간매체의 일반적 특성인지, 아니면 이례적인 현상인가?
• RQ2 H₃⁺ 열역학적 밀도는 OH 또는 HD보다 더 정확하고 직접적인 주요 우주선 이온화율(ζₚ) 측정을 가능하게 하는가?
• RQ3 왜 이전의 OH 및 HD 기반 ζₚ 추정치는 H₃⁺ 기반 추정치(~2×10⁻¹⁶ s⁻¹)와 크게 다를까?
• RQ4 이전 모델에서 반영되지 않은 반응 속도 상수의 불확실성과 누락된 물리적 효과가 OH/HD 및 H₃⁺ 기반 ζₚ 추정치 간의 모순을 설명하는 데 얼마나 기여하는가?
• RQ5 현재의 희박한 성운 화학 모델은 관측된 원소 및 분자의 농도를 재현하기 위해 ζₚ ≈ 10⁻¹⁶ s⁻¹의 값을 필요로 하는가?

주요 결과

• 조사한 20개의 희박한 성운 시선 중 8개에서 H₃⁺가 탐지되었으며, 열역학적 밀도 범위는 0.6×10¹⁴ cm⁻²에서 3.9×10¹⁴ cm⁻²였다.
• H₃⁺ 열역학적 밀도에서 유도된 평균 우주선 이온화율(ζₚ)은 2×10⁻¹⁶ s⁻¹이며, 이는 기존의 표준 값인 약 3×10⁻¹⁷ s⁻¹보다 뚜렷이 높다.
• 비탐지 시선에 대한 ζₚ 상한선은 관측된 범위와 일치하며, 희박한 성간매체에서 낮은 이온화율이 존재할 근거가 없음을 시사한다.
• 이전의 OH 및 HD 기반 추정치와의 모순은 잘못된 반응 속도 상수와 당시에 알려지지 않은 물리적 효과의 생략으로 기인한다.
• H₃⁺ 기반 ζₚ 추정치는 최근의 화학 모델과 양호한 일치를 보이며, 이 모델들은 관측된 원소 및 분자의 농도를 재현하기 위해 ζₚ ≈ 10⁻¹⁶ s⁻¹의 값을 필요로 한다.
• 이 연구는 H₃⁺가 단순한 화학 네트워크 덕분에 모델 의존도를 최소화함으로써 ζₚ에 대한 가장 직접적이고 신뢰할 수 있는 지표임을 확인한다.