[논문 리뷰] The Ratio of Ortho- to Para-H2 in Photodissociation Regions

A. Sternberg, David A. Neufeld|ArXiv.org|1998. 12. 02.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 35인용 수 67

한 줄 요약

이 논문은 FUV 흡수선에서의 광학적 두께 효과로 인해 억제되는 FUV 흡수에 의해 유도되는 진동적으로 들뜬 상태에서 관측된 H₂의 오르토-파라 비율(일般적으로 ~1.7)이 진정한 농도 비율이 아니며, 이는 장기간의 혼동을 해결한다. 저자들은 오르토-H₂ 흡수선에 대한 광학적 두께 효과를 정확히 고려할 경우, 이 관측된 비율이 진정한 오르토-파라 농도 비율 3과 일치함을 보여주며, 이는 T > 200 K에서 열적 평형을 의미한다. 이는 ISO 관측을 통해 S140에서 검증되었다.

ABSTRACT

We discuss the ratio of ortho- to para-H2 in photodissociation regions (PDRs). We draw attention to an apparent confusion in the literature between the ortho-to-para ratio of molecules in FUV-pumped vibrationally excited states, and the H2 ortho-to-para abundance ratio. These ratios are not the same because the process of FUV-pumping of fluorescent H2 emission in PDRs occurs via optically thick absorption lines. Thus, gas with an equilibrium ratio of ortho- to para-H2 equal to 3 will yield FUV-pumped vibrationally excited ortho-to-para ratios smaller than 3, because the ortho-H2 pumping rates are preferentially reduced by optical depth effects. Indeed, if the ortho and para pumping lines are on the ``square root'' part of the curve-of-growth, then the expected ratio of ortho and para vibrational line strengths is the square root of 3, ~ 1.7, close to the typically observed value. Thus, contrary to what has sometimes been stated in the literature, most previous measurements of the ratio of ortho- to para-H2 in vibrationally excited states are entirely consistent with a total ortho-to-para ratio of 3, the equilibrium value for temperatures greater than 200 K. We present an analysis and several detailed models which illustrate the relationship between the total ratios of ortho- to para-H2 and the vibrationally excited ortho-to-para ratios in PDRs. Recent Infrared Space Observatory (ISO) measurements of pure rotational and vibrational H2 emissions from the PDR in the star-forming region S140 provide strong observational support for our conclusions.

연구 동기 및 목표

• 광분해영역(PDRs)에서 진동적으로 들뜬 H₂ 상태의 오르토-파라 비율과 진정한 오르토-파라 농도 비율 사이의 차이를 명확히 하기.
• 장기간의 문헌 혼동을 해결하기: 낮은 진동적으로 들뜬 상태에서의 낮은 오르토-파라 비율이 비평형 상태 또는 저온에서의 형성에 대한 증거로 잘못 해석된 바를 해결하기.
• FUV 흡수에서 오르토-H₂ 전이가 파라-H₂보다 더 강하게 광학적 두께 효과로 억제되어, 관측된 비율이 진정한 값 3보다 낮아지는 것을 보여주기.
• 최근의 S140 PDR에서의 ISO 관측을 통해 모델을 검증하여, 진정한 오르토-파라 비율이 3임을 일관되게 보여주기.
• Draine & Bertoldi (1996) 모델 결과가 광학적 두께 효과를 정확히 고려할 경우 이 해석과 일치함을 보여주기.

제안 방법

• FUV 흡수에서 H₂ 흡수선의 곡선-성장 행동과 광학적 두께가 오르토-와 파라-H₂ 전이 속도에 미치는 영향을 중심으로 한 PDR 내 FUV 흡수 이론적 분석.
• 곡선-성장 형식론을 사용한 H₂의 복사 흡수 모델링에서, 선 강도의 차이로 인해 오르토-H₂의 효과적 흡수율이 파라-H₂보다 광학적 두께 영향으로 더 크게 감소함.
• 광학적 두께 조건 하에서 진동적으로 들뜬 오르토-파라 전이 강도 비율을 계산하여, 진정한 비율이 3일 경우 약 ~1.7의 예측값 도출.
• Infrared Space Observatory (ISO)에서 확보한 S140 은하형성 영역의 관측된 H₂ 선 강도 비율과 모델 예측 비교.
• 기존 모델(예: Draine & Bertoldi 1996)을 재분석하여, 저밀도 및 낮은 FUV 필드 조건에서의 낮은 관측 비율이 비열적 평형 조건이 아니라 광학적 두께 억제로 인한 것임을 보여주기.
• 곡선-성장 근사법을 사용하여, 제곱근 영역 조건에서 기대되는 오르토-파라 선 강도 비율을 유도: $3^{1/2} \sim 1.7$.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 T > 200 K에서 열적 평형을 가정할 경우 기대되는 비율이 3임에도 불구하고, PDR 내 진동적으로 들뜬 H₂에서 관측된 오르토-파라 비율이 일반적으로 1.5에서 2.2 사이에 머무는 이유는 무엇인가?
• RQ2 PDR 내 FUV 흡수선에서의 광학적 두께 효과가 오르토-H₂에 비해 파라-H₂보다 얼마나 오르토-H₂의 흡수를 억제하는가?
• RQ3 진동적으로 들뜬 상태에서의 낮은 비율이 진정한 오르토-파라 농도 비율 3과 일치할 수 있는가? 열적 평형을 가정할 경우.
• RQ4 최근의 S140 PDR에서의 ISO 관측 결과는 광학적 두께 억제가 관측된 비율과 기대되는 비율 간 괴리를 설명할 수 있는가?
• RQ5 이전 모델들(예: Takayanagi 등 1987)은 왜 관측된 비율을 바탕으로 낮은 형성 온도를 잘못 추론했으며, 광학적 두께를 간과함으로써 이 오류가 발생했는가?

주요 결과

• PDR 내 진동적으로 들뜬 H₂에서 관측된 오르토-파라 비율은 일반적으로 ~1.7이며, 이는 광학적 두께 효과를 고려할 경우 진정한 오르토-파라 농도 비율 3과 일치한다.
• FUV 흡수선에서의 광학적 두께 효과는 오르토-H₂의 흡수를 파라-H₂보다 더 강하게 억제하여, 관측된 비율을 진정한 값 3보다 낮추게 된다.
• 오르토 및 파라 흡수선이 곡선-성장의 '제곱근 영역'에 있을 경우, 진동적으로 들뜬 선 강도 비율의 기대값은 $3^{1/2} \sim 1.7$이며, 이는 일반적인 관측 결과와 일치한다.
• 최근의 S140 PDR에서의 ISO 관측 결과는 중심 항성으로부터의 거리가 감소함에 따라 오르토-파라 비율이 약 ~1.7에서 ~3으로 증가하는 것으로 나타나, 냉각된 외곽 영역에서의 FUV 흡수에서 따뜻한 내곽 영역에서의 충돌에 의한 진동 에너지 증가로의 전이를 일관되게 나타낸다.
• Draine & Bertoldi (1996) 모델은 명시적으로 이 차이를 다루지 않았지만, 광학적 두께 효과를 고려할 경우 저자들의 해석과 일치하는 결과를 도출한다: 저밀도 및 낮은 FUV 필드 조건에서의 낮은 관측 비율은 비열적 평형 조건이 아니라 광학적 두께 억제로 인한 것이다.
• S140의 모든 관측 위치에서 진정한 오르토-파라 농도 비율은 매우 3에 가까울 것이며, 이는 T > 200 K에서 열적 평형을 의미한다. 이는 진동적으로 들뜬 상태에서의 낮은 관측 비율에도 불구하고 성립한다.