[논문 리뷰] Limits on the cosmic-ray ionization rate toward massive young stars

F. van der Tak, E. F. van Dishoeck|arXiv (Cornell University)|2000. 06. 19.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 적외선 흡수와 마이크로파 방출 데이터를 조합하여 다량의 원형성 성운에서의 우주선 이온화율(ζ_CR)을 제약한다. 여러 파장에서의 관측을 바탕으로 환경의 온도 및 밀도 구조를 모델링하며, ζ_CR = (2.6 ± 1.8) × 10⁻¹⁷ s⁻¹로 추정한다. 이 값은 희박한 구름의 값과 일치하지만, 전경 구름 기여로 인해 H₃⁺에서 유도된 추정치보다 높다.

ABSTRACT

Recent models of the envelopes of seven massive protostars are used to analyze observations of H3+ infrared absorption and H13CO+ submillimeter emission lines toward these stars, and to constrain the cosmic-ray ionization rate zeta. The H13CO+ gives best-fit values of zeta=(2.6+/- 1.8) x 10^-17 s^-1, in good agreement with diffuse cloud models and with recent Voyager/Pioneer data but factors of up to 7 lower than found from the H3+ data. No relation of zeta with luminosity or total column density is found, so that local (X-ray) ionization and shielding against cosmic rays appear unimportant for these sources. The difference between the H3+ and H13CO+ results and the correlation of N(H3+) with heliocentric distance suggest that intervening clouds contribute significantly to the H3+ absorptions in the more distant regions. The most likely absorbers are low-density (

연구 동기 및 목표

• 분자의 선 관측을 통해 다량의 젊은 항성의 밀도 있는 환경에서의 우주선 이온화율(ζ_CR)을 결정하기.
• H₃⁺ 흡수와 H¹³CO⁺ 방출 데이터에서 유도된 이온화율 간의 모순을 해결하기.
• H₃⁺ 흡수에 영향을 주는 전경 구름의 역할과 이들이 이온화율 추정치에 미치는 영향 평가하기.
• ζ_CR가 다량의 원형성 성운 환경에서 빛의 세기, 기둥 밀도 또는 차폐 효과와 상관관계가 있는지 테스트하기.

제안 방법

• 자외선에서의 파wer-법 밀도 프로파일과 마이크로파 복사계측 데이터를 사용하여 원형성 성운의 온도 및 밀도 구조를 모델링하기.
• 몬테카를로 방법을 사용한 비-LTE 복사전달을 적용하여 CS, C³⁴S 및 C¹⁷O 선의 방출 및 흡수를 시뮬레이션하기.
• ζ_CR와 CO, 산소, 전자와의 파괴 경로를 기반으로 H₃⁺ 및 HCO⁺ 농도 계산하기.
• 관측된 H₃⁺ 기둥 밀도 및 오르토/파라 비율을 모델 예측과 비교하여 H₃⁺ 흡수로부터 ζ_CR 추정하기.
• H¹³CO⁺ 방출 데이터를 사용하여 HCO⁺ 농도가 ζ_CR에 선형적으로 비례한다는 가정 하에 독립적인 ζ_CR 추정치 도출하기.
• 중간에 있는 흐린 구름의 영향을 평가하기 위해 H₃⁺ 기둥 밀도와 태양계 중심 거리 간의 상관관계 분석 및 희박한 투명한 구름 모델과 비교하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 H₃⁺ 및 H¹³CO⁺ 관측을 통해 다량의 원형성 성운의 밀도 있는 환경에서의 우주선 이온화율(ζ_CR)은 무엇인가요?
• RQ2 동일한 천체에서 H₃⁺에서 유도된 이온화율이 H¹³CO⁺ 데이터에서 유도된 값보다 체계적으로 높은 이유는 무엇인가요?
• RQ3 특히 먼 천체에서 관측된 H₃⁺ 흡수에 대해 전경 또는 중간에 있는 구름이 얼마나 기여하고 있나요?
• RQ4 ζ_CR는 이 시스템에서 성운의 빛의 세기, 총 H₂ 기둥 밀도 또는 차폐 효과와 상관관계가 있나요?
• RQ5 희박한 밀도의 투명한 전경 구름 존재로 인해 H₃⁺와 H¹³CO⁺ 결과 간의 불일치를 설명할 수 있을까요?

주요 결과

• H¹³CO⁺ 데이터는 ζ_CR = (2.6 ± 1.8) × 10⁻¹⁷ s⁻¹로 최적의 맞춤을 보이며, 이는 희박한 구름 모델과 바이오버 및 파이오니어 측정치와 양호하게 일치한다.
• H₃⁺에서 유도된 이온화율은 체계적으로 높게 나타나, 밀도 있는 원형성 성운 환경 외에 중간에 있는 흐린 구름의 기여가 크다는 것을 시사한다.
• 관측된 H₃⁺ 기둥 밀도와 태양계 중심 거리 간의 강한 상관관계(r = 0.93)는 먼 천체에서 전경 구름이 흡수를 지배한다는 것을 나타낸다.
• 희박한 밀도(≤10⁴ cm⁻³)의 투명한 구름은 대부분 탄소가 중성 또는 CO 형태로 존재하며, H₃⁺의 가장 가능성이 높은 흡수체이며, 기둥 밀도에 최대 약 ~10¹⁴ cm⁻² 기여할 수 있다.
• ζ_CR와 성운의 빛의 세기 또는 총 H₂ 기둥 밀도 간에 유의미한 상관관계는 발견되지 않아, 국소적 X선 이온화와 우주선 차폐가 주요 요인으로 작용하지 않는다는 것을 시사한다.
• H₃⁺ 및 H¹³CO⁺ 데이터에서의 ζ_CR 상한은 최적의 맞춤값보다 약 3~5배 높아 중간 정도의 불확실성을 나타내지만, 전반적으로 일관된 제약 조건을 제공한다.