[논문 리뷰] Self-generated ultraviolet radiation in molecular shock waves I. Effects of Lyman $\alpha$, Lyman $\beta$, and two-photon continuum

A. Lehmann, B. Godard외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 02.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 53인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 중간속도(25–60 km/s), J형 분자 충격에서 라이만 α, 라이만 β 및 이중광자 연속기여를 위한 자기일관된 복사전달 처리를 제시한다. 반복적 다중수준 가속 Λ-반복 알고리즘을 사용하여, 속도가 30 km/s 이상인 충격은 표준 간성복사장보다 높은 라이만 α 광자 조도를 생성하며, 이로 인해 약 100 K 정도로 데워진 복사예비구역이 형성되고 충격의 운동에너지의 최대 21%가 자외선 방출로 재처리된다. 이 자외선은 강한 원자 미세구조선 및 함정선 방출을 유도한다.

ABSTRACT

Shocks are ubiquitous in the interstellar and intergalactic media, where their chemical and radiative signatures reveal the physical conditions in which they arise. Detailed astrochemical models of shocks at all velocities are necessary to understand the physics of many environments including protostellar outflows, supernova remnants, and galactic outflows. We present an accurate treatment of the self-generated UV radiation in intermediate velocity, stationary, weakly magnetised, J-type, molecular shocks. Shock solutions computed with the Paris-Durham shock code are post-processed using a multi-level accelerated $\Lambda$-iteration radiative transfer algorithm to compute Ly$\alpha$, Ly$\beta$, and 2-photon continuum emission. The subsequent impacts on the ionisation and dissociation of key atomic and molecular species as well as on the heating by the photoelectric effect take the wavelength dependent cross-sections and the fluid velocity profile into account. We analyse shock models with velocities $V=25-60$ km/s, propagating in dense ($n \geq 10^4$ ${ m cm}^{-3}$), shielded gas. Self-absorption traps Ly$\alpha$ photons in a small region in the shock, though a large fraction escapes into the line wings. We find a critical velocity $V\sim 30$ km/s above which shocks produce a Ly$\alpha$ photon flux exceeding that of the standard ISRF. The escaping photons generate a warm slab (T~100 K) ahead of the shock as well as pre-ionise C and S. These shocks are traced by bright atomic fine structure (e.g. O and S) and metastable (e.g. O and C) lines, substantive molecular emission (e.g. H2, OH, and CO), enhanced column densities of several species (e.g. CH+ and HCO+), as well as a severe destruction of H2O. As much as 13-21% of the initial kinetic energy of the shock escapes in Ly$\alpha$ and Ly$\beta$ photons if the dust opacity in the radiative precursor allows it.

연구 동기 및 목표

• 중간속도 분자 충격에서 라이만 α, 라이만 β 및 이중광자 연속기여로부터 발생하는 자가 생성된 자외선 복사장을 정확하게 모델링하는 것.
• 이 자가 생성된 자외선 복사장이 이온화, 해리 및 광전자 효과를 통한 가열을 포함한 충격의 열화학적 구조에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 탈출하는 자외선 광자들이 따뜻한 복사예비구역을 형성하고 충격가스의 관측 가능한 선방출을 강화시키는 데서의 역할을 평가하는 것.
• 충격 모델을 개선하기 위해 자가조명 효과를 통합하여, 프로스타르 충격류, 초신성 잔해 및 은하 외곽류의 관측 결과를 더 잘 해석할 수 있도록 하는 것.

제안 방법

• 라이만 α, 라이만 β 및 이중광자 연속기여를 계산하기 위해 반복적 다중수준 가속 Λ-반복 복사전달 알고리즘을 사용한다.
• 파리-더햄 충격 코드에서 유도된 충격 해를 파장에 따라 달라지는 상호작용 단면적과 유체 속도 프로파일을 적용하여 광자 전파 및 에너지 침착을 계산한다.
• 특히 선의 날개에서 발생하는 라이만 α 광자의 자가흡수 및 산산조각나기 현상을 고려하여 탈출율과 복사장 강도를 결정한다.
• 탈출하는 자외선 광자가 가스 가열 및 이온화에 미치는 영향을 정량화하기 위해 복사예비구역 내 효과적 복사장 매개변수 Geff를 계산한다.
• 비-열평형(excitation) 및 반응 네트워크와 복사전달을 결합하여 후충격 및 예비구역 내 화학적 및 열적 진화를 계산한다.
• 충격 속도 25–60 km/s 및 밀도 ≥10⁴ cm⁻³ 범위의 충격 모델 격자를 분석하여 자외선 방출 및 에너지 재처리가 충격 속도에 따라 어떻게 달라지는지 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중간속도 분자 충격에서 초기 운동에너지의 몇 퍼센트가 라이만 α 및 라이만 β 방출로 재처리되는가?
• RQ2 라이만 α 광자의 탈출율은 얼마이며, 자가흡수 효과는 복사예비구역 내 광자 전파 및 에너지 침착에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 자기 생성된 자외선 복사장이 전충격 기체를 얼마나 가열하는가? 복사예비구역 내 온도 구조는 어떻게 되는가?
• RQ4 자가조명 충격은 CH⁺, HCO⁺, CO 및 H₂O 등의 주요 성분의 열량 농도에 비조명 모델과 비교해 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 35–60 km/s 속도의 충격에서 관측된 원자 미세구조선 및 함정선 강도는 자가 생성된 자외선 복사장으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 속도가 약 30 km/s 이상인 충격은 표준 간성복사장(ISRF)을 초월하는 라이만 α 광자 조도를 생성하며, 탈출하는 자외선 복사장은 복사예비구역을 약 100 K 정도로 데운다.
• 충격 속도가 35–60 km/s 범위일 경우 효과적 복사장 매개변수 Geff는 10에서 400 사이의 값을 가지며, 이는 수소의 선 및 연속기여만으로도 전체 ISRF보다 최대 400배 많은 광자를 운반함을 의미한다.
• 속도 40–60 km/s인 충격에서 초기 운동에너지 조화율의 최대 13–21%가 라이만 α 및 라이만 β 방출로 재처리되며, 이 속도 범위에서 가장 높은 기여가 이루어진다.
• 탈출하는 자외선 광자가 형성하는 복사예비구역은 약 10¹⁷ cm에 걸쳐 있으며, 이는 이온화 및 사전가열이 강화되어 충격파 전방의 화학적 및 열적 구조를 크게 변화시킨다.
• 원자 미세구조선(예: O(63.2 µm), S(25.2 µm)) 및 함정선(예: O(6300 Å), C(9850 Å))은 자가조명 충격에서 수십만 배 이상으로 강도가 증가하여 중간속도 충격의 강력한 추적자로 기능한다.
• 모델은 제임스 웹 우주망원경(James Webb Space Telescope)으로 관측 가능한 강력한 로-진동 H₂ 방출선을 예측하며, 향후 JWST 관측에서 자가조명의 중요성을 부각시킨다.