[논문 리뷰] The first CO+ image: Probing the HI/H2 layer around the ultracompact HII region Mon R2

S. P. Treviño-Morales, A. Fuente외 13명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 21.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 28인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 Mon R2 초박편 HII 영역 방향으로 처음으로 공간 해상도를 갖춘 CO+ (J=2–1) 영상을 제시하며, 밀도가 높고 자외선(UV)에 노출된 광분해영역(PDR)에서 H I/H2 인터페이스를 추적하는 덩어리진, 고리 모양의 발광 형태를 드러낸다. CO+ 발광은 [C II] 및 PAHs와 공간적으로 일치하며, 이는 PDR 경계면의 좁고 밀도가 높은 층에서 기인함을 확인한다. 분수 비율은 0.1–1.9×10⁻¹⁰이며, 고밀도 및 고자외선 조건에서 CO+ 형성이 예측되는 화학 모델과 일치한다.

ABSTRACT

The CO+ reactive ion is thought to be a tracer of the boundary between a HII region and the hot molecular gas. In this study, we present the spatial distribution of the CO+ rotational emission toward the Mon R2 star-forming region. The CO+ emission presents a clumpy ring-like morphology, arising from a narrow dense layer around the HII region. We compare the CO+ distribution with other species present in photon-dominated regions (PDR), such as [CII] 158 mm, H2 S(3) rotational line at 9.3 mm, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and HCO+. We find that the CO+ emission is spatially coincident with the PAHs and [CII] emission. This confirms that the CO+ emission arises from a narrow dense layer of the HI/H2 interface. We have determined the CO+ fractional abundance, relative to C+ toward three positions. The abundances range from 0.1 to 1.9x10^(-10) and are in good agreement with previous chemical model, which predicts that the production of CO+ in PDRs only occurs in dense regions with high UV fields. The CO+ linewidth is larger than those found in molecular gas tracers, and their central velocity are blue-shifted with respect to the molecular gas velocity. We interpret this as a hint that the CO+ is probing photo-evaporating clump surfaces.

연구 동기 및 목표

• Mon R2 성성 영역에서 CO+ 발광의 공간 분포를 맵핑하여, 밀도가 높고 자외선에 노출된 PDR에서 H I/H2 인터페이스를 연구하는 데 핵심적인 장소로서의 성격을 규명한다.
• 화학 모델이 예측한 linе처럼, CO+가 초박편 HII 영역과 분자가스 사이의 경계를 추적하는지 확인한다.
• 관측된 비율과 이론적 예측을 비교하여 CO+ 생성에 필요한 물리 조건(밀도, 자외선 필드)을 규명한다.
• CO+의 운동학적 성질을 분석하고, HCO+ 및 H13CO+와 같은 분자가스 추적자들과 비교하여 광기화와 같은 역학적 과정을 추론한다.

제안 방법

• 236.0625 GHz에서 CO+ (J=2–1) 전이를 IRAM-30m 망원경을 사용하여 관측하였으며, 11″ beam을 사용하여 이미징에 적합한 신호 대 잡음비를 확보하였다.
• 데이터는 CLASS/GILDAS 패키지를 사용해 처리하였으며, 이후 신호 대 잡음비 향상 및 다른 추적자들과의 공간 비교를 위해 16″ 해상도로 스무딩 처리하였다.
• CO+ 발광 맵은 다중 파장 데이터와 공간적으로 비교하였다: [Ne II] (HII 영역), H2 S(3) (PDR), PAHs (11.3 μm), [C II] (158 μm), H13CO+ (분자가스)는 Spitzer, Herschel 및 이전 연구 자료에서 확보하였다.
• 국부 열역학적 평형을 가정하여, CO+ 발광 온도와 C+ 발광 비율을 이용해 세 위치(IF 및 MP2)에서 CO+ 분수 비율을 유도하였다.
• 운동학적 분석은 CO+ 선형형과 HCO+ 및 H13CO+의 선형형을 비교하여, 속도 이동 및 선폭을 분석함으로써 기류 또는 기화의 징후를 추론하였다.
• 화학 모델 예측을 활용하여 CO+ 비율을 해석하였으며, 특히 H 밀도(nH) 및 자외선 필드(G₀)에 따른 의존성을 분석하여 관측된 비율을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 화학 모델이 예측한 linе처럼, CO+ 발광은 Mon R2 PDR에서 H I/H2 인터페이스를 추적하는가?
• RQ2 CO+의 공간 분포는 [C II], PAHs, H2 선과 같은 다른 PDR 추적자들과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 Mon R2의 다양한 영역에서 CO+ 분수 비율은 무엇이며, 자외선 필드와 밀도 기반 이론적 예측과 일치하는가?
• RQ4 CO+ 선형형은 분자가스 추적자들에 비해 블루시프트되어 있는가? 이는 기체 운동학에 어떤 의미를 갖는가?
• RQ5 CO+ 발광은 PDR 표면의 밀도가 높은 덩어리의 광기화와 일치하는가?

주요 결과

• CO+ 발광은 초박편 HII 영역 중심을 둘러싼 덩어리진 고리 모양의 형태를 보이며, 공간적으로 [C II] 및 PAH 발광과 일치하여, 이는 H I/H2 인터페이스에서 좁고 밀도가 높은 층에서 기인함을 확인한다.
• 세 위치에서 CO+ 분수 비율은 0.1에서 1.9×10⁻¹⁰ 사이로, 고밀도(nH ≥ 2×10⁴ cm⁻³) 및 고자외선(G₀ ≥ 10³) 영역에서만 CO+ 형성이 예측되는 화학 모델과 양호하게 일치한다.
• CO+ 선폭은 HCO+ 및 H13CO+와 같은 표준 분자가스 추적자들보다 넓어, 강화된 난류 또는 기류 운동을 시사한다.
• CO+의 중심 속도는 분자가스에 비해 체계적으로 블루시프트되어 있어, 관측자 쪽으로 방출되는 기체를 추적하고 있음을 나타내며, 밀도가 높은 덩어리의 광기화와 일치한다.
• MP2 영역에서는 CO+가 검출되지 않았으며, 상한선 <4×10⁻¹¹이었고, 반면 IF 영역에서는 검출되었으며 비율은 약 10⁻¹¹이었다. 이는 CO+ 생성에 고자외선 조건과 고밀도 조건이 필요함을 뒷받침한다.
• 공간적 형태와 운동학적 오프셋은 PDR이 매끄러운 층이 아니라 분할된 밀도가 높은 덩어리들로 이루어져 있으며, 광기화를 겪고 있음을 시사하며, CO+는 조명을 받고 기화 중인 표면을 추적한다.