[論文レビュー] Dehydrogenation of polycyclic aromatic hydrocarbons in the diffuse interstellar medium

My Ha Vuong, B. H. Foing|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2000

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、拡散状銀河間媒体における多環芳香族炭化水素（PAH）の水素化および脱水素化状態をモデル化し、小規模なPAHでは光分解が水素化を上回り、低密度領域では強い脱水素化が生じることを示している。大規模なPAH（40炭素以上）は完全に水素化されており安定であるため、近赤外線スキャンによる拡散銀河間帯（DIB）の検出に最適な候補である。

ABSTRACT

We present a model for the hydrogenation states of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) in the diffuse interstellar medium. First, we study the abundance of hydrogenation and charge states of PAHs due to photo-ionization, photo-dissociation in the interstellar UV field, electron recombination and chemical reactions between PAH cations and H or H_2. For PAH cations, we find that the dehydrogenation effects are dominant. The hydrogenation state of PAHs depends strongly on the H density, the size of the molecule and UV field. In diffuse clouds with low H density and normal UV radiation, PAHs containing less than 40 C are completely or strongly dehydrogenated whereas at high H density, they are normally hydrogenated. The partially dehydrogenated species dominate in intermediate density clouds. PAHs above 40 C are quite stable and are fully hydrogenated, which would favor their spectroscopic search in near IR surveys of Diffuse Interstellar Bands (DIBs).

研究の動機と目的

• さまざまな物理的条件下における拡散銀河間雲内でのPAHの水素化状態およびイオン化状態の濃度をモデル化すること。
• PAHの進化を支配する主要なプロセス（光分解、光イオン化、電子再結合、およびHまたはH₂との反応）を特定すること。
• 特に拡散銀河間帯（DIB）に関連して、PAHの検出可能性に与える影響を評価すること。
• 分子サイズ、水素密度、紫外線場強度がPAHカチオンの安定性および水素化状態に与える影響を評価すること。
• 完全に水素化された大規模なPAHが近赤外線でスペクトル的に検出可能となる条件を同定すること。

提案手法

• 振動モードにわたるエネルギー分布に基づいて、PAHカチオンの光分解速度を推定するため、統計的モデル（RRKM理論）を用いる。
• PAHカチオンとHまたはH₂の反応に、ランジュバン速度理論（約10⁻⁹ cm³ s⁻¹）を適用し、反応性炭素サイトに比例する速度を仮定する。
• 紫外線吸収断面積、イオン化量子収率（Verstraeteら）、および銀河間紫外線場（Gondhalekarスペクトル）を用いて、光イオン化速度を計算する。
• スピッツァーの公式を用いて電子再結合速度を推定し、PAHサイズおよび温度に応じて調整し、大分子に対して補正項を追加する。
• H付加とH損失の速度をバランスさせることで、水素化状態の分布を構築し、x_H = k_add / k_diss として正規化された濃度モデルを用いる。
• 利用可能なH付加サイトの重み付けを変化させることで、水素密度（n_H）および紫外線強度の関数としての水素化状態分布をシミュレートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 拡散銀河間雲内におけるPAHカチオンの支配的水素化状態を決定づける要因は何ですか？
• RQ2 光分解とH付加速度の競合が、さまざまなPAH種の濃度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 PAH分子のサイズが紫外線下での安定性および水素化状態に与える影響は？
• RQ4 部分的に脱水素化されたPAHが支配的になる水素密度はどの程度ですか？
• RQ5 どのPAHサイズ範囲が、拡散銀河間帯（DIB）に関連する検出可能な近赤外線遷移を示す可能性が最も高いですか？

主な発見

• 40炭素未満のPAHカチオンでは、低水素密度・高紫外線環境下で脱水素化が支配的となり、強く脱水素化された種が生成する。
• 高水素密度（n_H > 20–30 cm⁻³）では小規模なPAHは主に水素化されているが、中程度の密度では部分的脱水素化状態が優勢になる。
• 40炭素を超えるPAHは、紫外線エネルギーを散逸させる振動自由度の増加により、完全に水素化されており安定である。
• カロナイトカチオン（C₂₄H₁₂⁺）は対称的構造のため、光分解速度が高く、IR緩和が制限され、脱水素化が促進される。
• 40炭素を超えるPAHは、FWHM幅2–4 cm⁻¹の回転遷移を示すと予測され、近赤外線DIBサーベイで検出可能である。
• 水素化状態の濃度はx_H ≈ 1（ここでx_H = k_add / k_diss）で最大となり、これはさまざまなサイズのPAHにおける部分的脱水素化種のピークに対応する。