[논문 리뷰] Photoevaporating PDR models with the Hydra PDR Code

Émeric Bron, M. Agúndez외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 04.

Atmospheric Ozone and Climate참고 문헌 2인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 분자운 가장자리에서의 광기화를 모델링하기 위해 복사전달, 열화학, 유체역학을 결합한 1차원 유체역학적 PDR 코드를 개발한다. 이는 최근 허셜 및 알마 관측과 일치하는 고온압력($P/k_B \sim 10^7{-}10^8\ \mathrm{K\,cm^{-3}}$)과 선형 $P$-$G_0$ 상관관계를 자연스럽게 생성함을 보여주며, 미세 구조의 덩어리짐이 없이도 관측된 밀도 대비를 설명할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Recent Herschel and ALMA observations of Photodissociation Regions (PDRs) have revealed the presence of a high thermal pressure (P ~ 10^7-10^8 K cm-3) thin compressed layer at the PDR surface where warm molecular tracer emission (e.g. CH+, SH+, high-J CO, H2,...) originate. These high pressures (unbalanced by the surrounding environment) and a correlation between pressure and incident FUV field (G0) seem to indicate a dynamical origin with the radiation field playing an important role in driving the dynamics. We investigate whether photoevaporation of the illuminated edge of a molecular cloud could explain these high pressures and pressure-UV field correlation. We developed a 1D hydrodynamical PDR code coupling hydrodynamics, EUV and FUV radiative transfer and time-dependent thermo-chemical evolution. We applied it to a 1D plane-parallel photoevaporation scenario where a UV-illuminated molecular cloud can freely evaporate in a surrounding low-pressure medium. We find that photoevaporation can produce high thermal pressures and the observed P-G0 correlation, almost independently from the initial gas density. In addition, we find that constant-pressure PDR models are a better approximation to the structure of photoevaporating PDRs than constant-density PDR models, although moderate pressure gradients are present. Strong density gradients from the molecular to the neutral atomic region are found, which naturally explain the large density contrasts (1-2 orders of magnitude) derived from observations of different tracers. The photoevaporating PDR is preceded by a low velocity shock (a few km/s) propagating into the molecular cloud. Photoevaporating PDR models offer a promising explanation to the recent observational evidence of dynamical effects in PDRs.

연구 동기 및 목표

• 분자운 가장자리의 광기화가 PDR에서 관측된 고온압력($P/k_B \sim 10^7{-}10^8\ \mathrm{K\,cm^{-3}}$)을 설명할 수 있는지 조사하기 위해.
• 광기화가 관측된 압력과 입사된 FUV 복사장($G_0$) 사이의 상관관계를 재현할 수 있는지 테스트하기 위해.
• 일정 압력 PDR 모델이 일정 밀도 모델보다 광기화 PDR을 더 잘 기술하는지 평가하기 위해.
• PDR에서 트레이서 간 관측된 밀도 대비의 기원을 규명하기 위해, 특히 밀도 차이가 1~2 올림 정도인 경우를 중심으로.
• 광기화 전면의 구조를 특성화하기 위해, 충격 형성과 유동 역학을 포함하여.

제안 방법

• 1차원 유체역학적 PDR 코드를 개발하여 1차원 유체역학, EUV 및 FUV 복사전달, 시간에 따라 변화하는 열화학적 진화를 통합한다.
• 자기 일관된 이온화 및 냉각 조건 하에서, 자외선 조사 하에서 운동, 에너지, 화학종 진화의 방정식을 해결한다.
• 평면 평행 기하구조에서 복사전달을 해결하며, 이온화되는(EUV) 및 이온화되지 않는(FUV) 복사장 모두를 고려한다.
• 초기 기체 밀도, 입사 복사장($G_0$), 별 유형(O, B, A)에 따라 다양하게 변하는 모델의 격자 계산을 수행한다.
• 표준 유체역학 및 이온화 복사 유체역학 시험 문제를 바탕으로 코드의 정합성을 검증한다.
• 광기화 시나리오는 분자운 가장자리가 낮은 압력의 주변 매질로 자유롭게 기화되는 것으로 가정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광기화가 PDR에서 관측된 고온압력($P/k_B \sim 10^7{-}10^8\ \mathrm{K\,cm^{-3}}$)을 자연스럽게 생성할 수 있는가?
• RQ2 광기화 메커니즘이 관측된 압력과 입사된 FUV 복사장($G_0$) 사이의 선형 상관관계를 재현할 수 있는가?
• RQ3 PDR에서 트레이서 간 관측된 밀도 대비가 미세 구조의 덩어리짐이 아닌, 광기화에 의한 연속적인 밀도 기울기로 더 잘 설명될 수 있는가?
• RQ4 충격은 광기화 과정에서 어떤 역할을 하는가? 그리고 PDR 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 별 스펙트럼 유형과 $G_0$는 광기화 PDR에서의 최종 압력과 유동 역학에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 광기화는 PDR에서 고온압력을 생성하며, $P/k_B \sim 10^7{-}10^8\ \mathrm{K\,cm^{-3}}$로, 허셜 및 알마 관측과 일치한다.
• 선형 $P$-$G_0$ 상관관계가 자연스럽게 재현되며, 별 유형에 따라 $P/G_0$ 비율의 체계적 이동이 나타나며, 더 뜨거운 별이 $G_0$ 단위당 더 높은 압력을 유도한다.
• PDR 내의 압력 기울기는 약한 편이며(최대 2배 이내로 변동), 일정 압력 PDR 모델이 일정 밀도 모델보다 더 나은 근사가 되도록 지원한다.
• 温기 분자층과 원자층 사이에 강한 밀도 기울기가 존재하며, 원자 영역의 밀도는 1~2 올림 정도 낮아, 덩어리짐이 없이도 관측된 트레이서 대비를 설명할 수 있다.
• 광기화 전면의 앞서는 분자운 내로 저속 충격(0.5–7 km/s)이 전파되며, 기체를 몇 배에서 수백 배로 압축한다.
• 일부 조건 하에서는 중성 광기화 유량이 존재할 수 있으며, 이는 이온화 영역과 직접 인접하지 않은 PDR에서 [C ii] 158 μm 같은 트레이서에 잠재적 관측 서식을 제공할 수 있음을 시사한다.