[논문 리뷰] UV-driven chemistry in simulations of the interstellar medium. I. Post-processed chemistry with the Meudon PDR code

François Lévrier, Franck Le Petit외 4명|arXiv (Cornell University)|2012. 05. 25.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 45인용 수 28

한 줄 요약

이 연구는 Meudon PDR 코드를 사용해 자기유체역학(MHD) 시뮬레이션을 후처리하여, 희박한 간성간 매질에서 자외선 유도 화학 반응을 연구한다. 밀도 변동의 현실적인 영향을 평가하기 위해 수행되었으며, 밀도 변동을 고려할 경우 CO의 기수 밀도가 2–4배 증가하고 관측된 H2–CO 상관관계와의 일치도가 향상되며, 기존 균일 밀도 모델의 기울기 14에서 변동 밀도 모델의 기울기 5.2로 감소한다. 이는 CO J=1→0로 탐지되지 않는 '어둠진 분자 가스'가 전체 분자 가스의 35–40%에 이르게 됨을 시사한다.

ABSTRACT

Our main purpose is to estimate the effect of assuming uniform density on the line-of-sight in PDR chemistry models, compared to a more realistic distribution for which total gas densities may well vary by several orders of magnitude. A secondary goal of this paper is to estimate the amount of molecular hydrogen which is not properly traced by the CO (J = 1 -> 0) line, the so-called "dark molecular gas". We use results from a magnetohydrodynamical (MHD) simulation as a model for the density structures found in a turbulent diffuse ISM with no star-formation activity. The Meudon PDR code is then applied to a number of lines of sight through this model, to derive their chemical structures. It is found that, compared to the uniform density assumption, maximal chemical abundances for H2, CO, CH and CN are increased by a factor 2 to 4 when taking into account density fluctuations on the line of sight. The correlations between column densities of CO, CH and CN with respect to those of H2 are also found to be in better overall agreement with observations. For instance, at N(H2) > 2.10^{20} cm-2, while observations suggest that d[log N(CO)]=d[log N(H2)] = 3.07 +/- 0.73, we find d[log N(CO)]=d[log N(H2)] =14 when assuming uniform density, and d[log N(CO)]=d[log N(H2)] = 5.2 when including density fluctuations.

연구 동기 및 목표

• PDR 모델에서 흔히 사용되는 균일 밀도 가정에 도전하면서, 현실적인 밀도 변동이 희박한 간성간 매질에서 자외선 유도 화학 반응에 미치는 영향을 평가하는 것.
• MHD 시뮬레이션에서 유도된 공간적으로 변화하는 밀도 구조를 통합함으로써 관측된 분자 농도(특히 CO)의 재현을 향상시키는 것.
• 현재 관측 감도 이하에서 CO(J=1→0) 방출로 탐지되지 않는 분자 가스의 비율을 추정하여 '어둠진 분자 가스'로 정의하는 것.
• MHD 시뮬레이션에서 화학 반응 시간스케일과 천체역학적 시간스케일을 비교함으로써 PDR 모델링에서의 정적인 가정의 타당성을 검증하는 것.

제안 방법

• RAMSES 코드를 사용해 생성한 적응 메쉬 분해(AMR)를 적용한 3차원 자기유체역학(MHD) 시뮬레이션을 활용하여, 난류가 있는 희박한 간성간 매질을 시뮬레이션한다.
• 각 선형 시야를 따라 실제 밀도 및 복사장 프로파일을 사용하여 Meudon PDR 코드를 적용함으로써, 다수의 1차원 선형 시야에서 화학 반응을 분석한다.
• 기체상 반응과 표면 반응을 포함한 99종의 종과 1362개의 반응을 수용하는 완전한 화학 네트워크를 사용하며, 자외선 복사가 주요 에너지원이다.
• 각 선형 시야를 따라 정적인 화학 진화를 해석함으로써 후처리를 수행하며, 국소 이온화 평형을 가정하고 FUV 복사장(χ = 1)을 입력으로 사용한다.
• 주요 종(H2, CO, CH, CN)의 기수 밀도를 계산하고, 관측 데이터와의 H2–CO 상관관계 기울기를 비교한다.
• 감도 임계값 10^14 cm⁻²를 사용하여, CO(J=1→0) 기수 밀도가 현재 감지 한계 이하인 H2 기수 밀도 비율을 기반으로 '어둠진 분자 가스'를 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 turbulent이고 비균일한 간성간 매질에서의 밀도 변동은 균일 밀도 모델 대비 CO 및 기타 주요 분자의 예측 기수 밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 현실적인 밀도 구조를 통합함으로써, 시뮬레이션된 H2–CO 기수 밀도 상관관계가 관측 데이터와의 일치도가 얼마나 향상되는가?
• RQ3 낮은 CO 농도로 인해 CO(J=1→0) 방출로 탐지되지 않는 분자 가스의 비율은 얼마이며, 이 비율은 H2 기수 밀도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 화학 형성 시간스케일과 천체역학적 진화 시간스케일을 고려할 때, 난류가 있는 진화하는 간성간 매질에서 PDR 화학에 대한 정적 가정이 타당한가?

주요 결과

• 균일 밀도 모델 대비 밀도 변동을 고려한 결과, 시뮬레이션된 선형 시야에서 최대 CO 기수 밀도가 2–4배 증가한다.
• 시뮬레이션된 H2–CO 상관관계 기울기는 균일 밀도 모델의 14에서 밀도 변동 모델의 5.2로 감소하여 관측된 기울기 3.07 ± 0.73와 더 잘 일치한다.
• H2 기수 밀도 ≥ 2×10²⁰ cm⁻² 인 영역에서는 밀도 변동 모델이 균일 밀도 가정보다 관측된 H2–CO 상관관계를 더 정확히 재현한다.
• 높은 밀도 영역(nH ≥ 10³ cm⁻³)에서는 분자 가스의 35–40%가 '어둠진' 것으로 분류되며, 이는 현재 감도 한계 이하에서 CO(J=1→0)로 탐지되지 않음을 의미한다.
• [CII] 158 μm 선은 시뮬레이션 영역에서 총 H2와 잘 상관관계를 보이며, 이 어둠진 분자 가스의 탐지 가능 트레이서로 유력하게 제시된다.
• 원래 MHD 시뮬레이션에서 사용된 단순 냉각 모델은 Meudon PDR 코드에서 사용된 더 세밀한 냉각 과정을 적용한 결과와 합리적인 일치를 보였다.