[논문 리뷰] The role of neutral hydrogen in setting the abundances of molecular species in the Milky Way's diffuse interstellar medium. II. Comparison between observations and theoretical models

Daniel R. Rybarczyk, Munan Gong외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 10.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 73인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 은하수의 희박한 간성간성물질에서 HCO+와 H I 관측을 광분해영역(PDR) 모델과 다상태 간성간성물질 시뮬레이션과 비교하여 역학적 과정이 분자 농도 형성에 미치는 영향을 평가한다. 그 결과, 따뜻하고 조밀한 구조(열적 안정성이 없는 H I를 포함, Tₛ > 40 K)에서 높은 HCO+ 열밀도(>10¹² cm⁻²)는 표준 PDR 모델과 일치하지 않으며, 이는 비평형 화학 반응을 의미한다. 이는 난류 에너지 소모나 충격파에 의해 주도될 가능성이 크다.

ABSTRACT

We compare observations of HI from the Very Large Array (VLA) and the Arecibo Observatory and observations of HCO$^+$ from the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) and the Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) in the diffuse ($A_V\lesssim1$) interstellar medium (ISM) to predictions from a photodissociation region (PDR) chemical model and multi-phase ISM simulations. Using a coarse grid of PDR models, we estimate the density, FUV radiation field, and cosmic ray ionization rate (CRIR) for each structure identified in HCO$^+$ and HI absorption. These structures fall into two categories. Structures with $T_s<40~\mathrm{K}$, mostly with $N(\mathrm{HCO^+})\lesssim10^{12}~\mathrm{cm^{-2}}$, are consistent with modest density, FUV radiation field, and CRIR models, typical of the diffuse molecular ISM. Structures with spin temperature $T_s>40~\mathrm{K}$, mostly with $N(\mathrm{HCO^+})\gtrsim10^{12}~\mathrm{cm^{-2}}$, are consistent with high density, FUV radiation field, and CRIR models, characteristic of environments close to massive star formation. The latter are also found in directions with a significant fraction of thermally unstable HI. In at least one case, we rule out the PDR model parameters, suggesting that alternative mechanisms (e.g., non-equilibrium processes like turbulent dissipation and/or shocks) are required to explain the observed HCO$^+$ in this direction. Similarly, while our observations and simulations of the turbulent, multi-phase ISM agree that HCO$^+$ formation occurs along sightlines with $N(\mathrm{HI})\gtrsim10^{21}~\mathrm{cm^{-2}}$, the simulated data fail to explain HCO$^+$ column densities $\gtrsim m{few} imes10^{12}~\mathrm{cm^{-2}}$. Since a majority of our sightlines with HCO$^+$ had such high column densities, this likely indicates that non-equilibrium chemistry is important for these lines of sight.

연구 동기 및 목표

• 희박한 간성간성물질에서 표준 자외선 주도 PDR 모델 예측을 초월하는 높은 HCO+ 열밀도를 유도하는 물리적 조건을 진단하기 위해.
• Gong 등(2017)의 PDR 화학 모델이 H I 관측으로부터 확보된 환경 제약 조건을 바탕으로 관측된 HCO+ 열밀도를 재현할 수 있는지 테스트하기 위해.
• 비평형 화학(예: 난류 에너지 소모, 충격파)이 HCO+ 농도를 설명하기 위해 필요로 하는 조건을 규명하기 위해.
• 난류 작용과 다상태 간성간성물질 시뮬레이션 데이터를 관측과 비교하여 HCO+ 형성에서 역학적 과정의 기여도를 평가하기 위해.
• H I 스핀 온도와 열적으로 불안정한 H I 비율이 간성간성물질에서 비평형 화학 반응의 진단 도구로 사용될 수 있는지 판단하기 위해.

제안 방법

• 21-SPONGE 설문조사를 통해 확보한 VLA와 아레카보의 H I 흡수 및 방출 데이터를 활용하여 스핀 온도(Tₛ), 열밀도(N(H I)), 열적으로 불안정한 H I 비율을 유도하였다.
• ALMA와 NOEMA의 HCO+ 흡수 데이터를 H I 데이터와 융합하여 흡수 구조를 식별하고 N(HCO+)를 측정하였다.
• Gong 등(2017)의 근사 격자 PDR 모델을 적용하여 각 구조에 대해 필요한 기체 밀도(n), 적외선 외부 복사장(G′), 우주선 이온화율(ξ/ξ₀)을 추정하였다.
• 관측된 FUV 복사장과 CRIR 제약 조건을 바탕으로 PDR 모델 추정치의 일관성을 평가하였다.
• Gong 등(2020)의 다상태 간성간성물질 시뮬레이션을 활용하여 난류 작용과 비평형 화학 반응이 관측된 HCO+ 열밀도를 재현할 수 있는지 테스트하였다.
• 다양한 원소들(예: C2H, HCN, OH)의 선형형상과 열밀도 비율을 분석하여 비평형 화학 반응의 특징을 탐색하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 희박한 간성간성물질에서 HCO+ 열밀도가 표준 PDR 모델의 예측보다 자주 1~2개의 지수만큼 높은가?
• RQ2 H I 스핀 온도와 열적으로 불안정한 H I 비율이 고 HCO+ 열밀도와 모델 일관성 문제와 상관관계가 있는가?
• RQ3 다양한 밀도, FUV 복사장, CRIR 조건을 가진 PDR 모델이 H I 특성에 따라 다른 구조에서 관측된 HCO+ 농도를 재현할 수 있는가?
• RQ4 난류 에너지 소모를 포함한 다상태 간성간성물질 시뮬레이션은 관측된 HCO+ 열밀도를 어느 정도 재현하는가?
• RQ5 PDR 주도 화학과 비평형 화학(예: TDR)을 구별할 수 있는 스펙트럼적 징후(예: 넓은 성분, 종별 비율)가 존재하는가?

주요 결과

• Tₛ > 40 K이고 N(HCO+) ≳10¹² cm⁻²인 구조는 고밀도(n ∼10³–10⁴ cm⁻³), 고FUV(G′ ≳1), 고CRIR(ξ/ξ₀ ≳1) PDR 모델이 필요하며, 이는 대규모 별 형성 부근에서 흔히 볼 수 있는 특성이다.
• Tₛ ≤ 40 K이고 낮은 N(HCO+) ≲10¹² cm⁻²인 냉각된 구조는 저밀도(n ∼10²–10³ cm⁻³), 저FUV(G′ ≲1), 저CRIR(ξ/ξ₀ ≲1) PDR 모델과 일치하며, 이는 희박한 분자 간성간성물질의 특성이다.
• 적어도 한 경우(3C78)에서 PDR 모델 추정치(n ∼10⁴ cm⁻³, G′ ∼10)는 관측과 충돌한다—C2H/HCN/HNC 검출 불가 및 근처 대규모 별 형성 영역 없음—이로 인해 비평형 화학 반응이 필요함을 시사한다.
• Gong 등(2020)의 시뮬레이션된 난류 작용과 다상태 간성간성물질은 총 수소 열밀도 ∼10²¹ cm⁻²에서 HCO+ 형성을 정확히 예측하지만, HCO+ 열밀도 ≳few ×10¹² cm⁻²를 재현하지 못한다.
• HCO+ 흡수를 관측한 9개의 시선 중 6개에서 N(HCO+) ≳few ×10¹² cm⁻²이 관측되어, 이러한 시선에서 비평형 화학 반응이 널리 퍼져 있음을 시사한다.
• 2.3 km s⁻¹에서 고 HCO+ 성분에서 OH 흡수 신호가 관측되지 않았지만 C2H와 HCN은 검출된 것으로, HCO+와 C2H가 OH보다 상대적으로 증가한 것으로 보이며, 이는 비평형 화학 반응의 TDR 예측과 일치한다.