[논문 리뷰] Diagnostics of irradiated gas in galaxy nuclei. I: A Far-ultraviolet and X-ray dominated region code

R. Meijerink, M. Spaans|ArXiv.org|2005. 02. 22.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 56인용 수 254

한 줄 요약

이 논문은 은하 중심의 조사된 기체를 모델링하기 위해 복합적인 열역학적, 화학적, 복사 과정(예: PAH 및 H₂ 진동-회전(excitation) 포함)을 포함한 연계된 적외선 외부 영역(PDR) 및 X선 도메인 영역(XDR) 코드를 제시한다. 주요 결과로는 XDR의 기체 열두께 비율(CO/C, HNC/HCN 등)이 $N_{\rm H} = 10^{22}\rm\thinspace cm^{-2}$까지 거의 일정하게 유지되는 반면, PDR에서는 이 비율이 극적으로 변하는 것으로 나타나, 다양한 복사장과 밀도 조건에서 PDR과 XDR 간의 기본적인 화학적 구조적 차이를 드러낸다.

ABSTRACT

We present a far-ultraviolet (PDR) and an X-ray dominated region (XDR) code. We include and discuss thermal and chemical processes that pertain to irradiated gas. An elaborate chemical network is used and a careful treatment of PAHs and H2 formation, destruction and excitation is included. For both codes we calculate four depth-dependent models for different densities and radiation fields, relevant to conditions in starburst galaxies and active galactic nuclei. A detailed comparison between PDR and XDR physics is made for total gas column densities between ~10^20 and ~10^25 cm^-2. We show cumulative line intensities for a number of fine-structure lines (e.g., [CII], [OI], [CI], [SiII], [FeII]), as well as cumulative column densities and column density ratios for a number of species (e.g., CO/H2, CO/C, HCO+/HCN, HNC/HCN). The comparison between the results for the PDRs and XDRs shows that column density ratios are almost constant up to N_H=10^22 cm^-2 for XDRs, unlike those in PDRs. For example, CO/C in PDRs changes over four orders of magnitude from the edge to N_H=10^22 cm^-2. The CO/C and CO/H2 ratios are lower in XDRs at low column densities and rise at N_H > 10^23 cm^-2. At most column densities N_H > 10^21.5 cm^-2, HNC/HCN ratios are lower in XDRs too, but they show a more moderate increase at higher N_H.

연구 동기 및 목표

• 실제 물리 조건 하에서 은하 중심의 조사된 기체를 모델링하는 종합적인 PDR 및 XDR 코드를 개발하기 위해.
• FUV 및 X선 복사장에 노출된 기체의 열역학적 및 화학적 구조를 조사하기 위해.
• 은하폭발 은하 및 활성 은하핵에 관련된 밀도 및 복사장 범위에서 PDR 및 XDR 물리적 특성 간 비교를 위해.
• 고 redshift 및 국지 은하 중심에서 관측된 미세 구조 선 및 기체 열두께 비율을 해석하기 위한 진단 도구를 제공하기 위해.
• PDR 및 XDR 환경에서 총 수소 기체 열두께 $N_{\rm H}$ 증가에 따라 CO/C, HNC/HCN, CO/H₂ 등의 기체 열두께 비율이 어떻게 변화하는지 정량화하기 위해.

제안 방법

• 모델은 한쪽면에서 조사되는 무한 두께의 판 구조를 사용하며 기하학적 희석이 없어 은하 중심의 조건을 시뮬레이션한다.
• FUV 및 X선 복사장에 의해 유도되는 이온-분자 반응, 광이온화, 전하 이동 과정을 포함한 복잡한 화학 네트워크를 적용한다.
• 열평형은 먼지 및 PAH의 광전자 방출, H₂의 FUV 흡수, 宇宙선에 의한 가열와 함께, 미세 구조 선 및 분자 회전 전이에 의한 냉각을 포함하여 계산한다.
• H₂의 형성, 파괴 및 진동 상태의 자극은 Tine 등(1997)과 Yan(1997)의 속도 계수를 사용하며, 형성 시 진동 에너지의 통계적 분포를 포함한다.
• X선 흡수는 Verner & Yakovlev(1995)의 총 원소 농도 및 X선 단면적을 사용하며, 깊이에 따른 복사 세기 감쇠는 $F(E,z) = F(E,0)\times\rm exp(-\tau)$로 계산한다.
• 선 강도 및 기체 열두께는 깊이에 따라 통합하여 계산하며, 복사 전달은 자가 일관된 이온화 및 진동 상태 계산을 통해 처리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PDR과 XDR 환경에서 총 수소 기체 열두께 $N_{\rm H}$ 증가에 따라 CO/C, HNC/HCN, CO/H₂ 등의 기체 열두께 비율은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 FUV와 X선 복사장이 은하 중심의 조사된 기체의 열역학적 구조와 화학 조성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 PDR과 XDR 모델 간 주요 진단 선([CII] 158 μm, [OI] 63 μm, H₂ 진동-회전 선 등)의 누적 선 강도는 어떻게 다른가?
• RQ4 PDR에 비해 XDR는 광범위한 기체 열두께 범위에서 농도 비율을 얼마나 안정적으로 유지하는가?
• RQ5 다양한 복사장 조건에서 PDR 및 XDR 내 기체 깊이에 따라 탄소 이종(예: C⁺, C, CO)의 상대 농도는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• PDR에서 CO/C 기체 열두께 비율은 기체 표면에서 $N_{\rm H} = 10^{22}\rm\thinspace cm^{-2}$까지 약 4개 이상의 주기로 변화하며, 복사장과 밀도에 매우 민감함을 시사한다.
• XDR에서는 CO/C 비율이 $N_{\rm H} = 10^{22}\rm\thinspace cm^{-2}$까지 거의 일정하게 유지되며, X선 조사에 의한 더 안정된 화학적 구조를 나타낸다.
• 저기체 열두께에서 XDR의 CO/C 및 CO/H₂ 비율은 낮지만, $N_{\rm H} > 10^{23}\rm\thinspace cm^{-2}$에서 크게 증가하여 깊은 XDR에서 분자 형성이 증가하는 전이 상태임을 시사한다.
• HNC/HCN 비율은 $N_{\rm H} > 10^{21.5}\rm\thinspace cm^{-2}$에서 XDR이 PDR보다 낮지만, 기체 열두께 증가에 따라 PDR보다 더 완만한 증가를 보인다.
• 미세 구조 선 강도([CII] 158 μm, [OI] 63 μm)는 PDR과 XDR 모두에서 강력하지만, 이온화 및 진동 자극 메커니즘이 다르기 때문에 상대 강도가 다르다.
• 모델은 XDR가 FUV 가열이 표면에 집중되는 PDR과는 달리 X선 가열이 부피에 의해 주로 영향을 미치므로, H에서 H₂로, C⁺에서 C로, CO로의 전이가 더 부드럽게 일어남을 예측한다.