[論文レビュー] Dust processing in photodissociation regions - Mid-IR emission modelling

M. Compiègne, A. Abergel+2 more|ArXiv.org|Sep 29, 2008

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 72被引用数 32

ひとこと要約

本研究では、スパitzerおよびISOのデータを用いて、光分解領域（PDRs）における中赤外領域のダスト放射をモデル化し、放射線輸送とダスト放射モデルを結合することで、ダストの励起効果とダスト進化の影響を分離する。その結果、ホースヘッドネブロラではPAH/VSG比が2.4倍低下し、NGC2023 Northでは約5倍低下することが判明し、小スケールで急速なダスト処理が進行していることが示された。

ABSTRACT

Mid-infrared spectroscopy of dense illuminated ridges (or photodissociation regions, PDRs) suggests dust evolution. Such evolution must be reflected in the gas physical properties through processes like photo-electric heating or H_2 formation. With Spitzer Infrared Spectrograph (IRS) and ISOCAM data, we study the mid-IR emission of closeby, well known PDRs. Focusing on the band and continuum dust emissions, we follow their relative contributions and analyze their variations in terms of abundance of dust populations. In order to disentangle dust evolution and excitation effects, we use a dust emission model that we couple to radiative transfer. Our dust model reproduces extinction and emission of the standard interstellar medium that we represent with diffuse high galactic latitude clouds called Cirrus. We take the properties of dust in Cirrus as a reference to which we compare the dust emission from more excited regions, namely the Horsehead and the reflection nebula NGC 2023 North. We show that in both regions, radiative transfer effects cannot account for the observed spectral variations. We interpret these variations in term of changes of the relative abundance between polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs, mid-IR band carriers) and very small grains (VSGs, mid-IR continuum carriers). We conclude that the PAH/VSG abundance ratio is 2.4 times smaller at the peak emission of the Horsehead nebula than in the Cirrus case. For NGC2023 North where spectral evolution is observed across the northern PDR, we conclude that this ratio is ~5 times lower in the dense, cold zones of the PDR than in its diffuse illuminated part where dust properties seem to be the same as in Cirrus. We conclude that dust in PDRs seems to evolve from "dense" to "diffuse" properties at the small spatial scale of the dense illuminated ridge.

研究の動機と目的

• スパitzerおよびISOのデータを用いて、ホースヘッドやNGC2023 Northのような密集した照光PDRにおける中赤外スペクトルの変化を理解すること。
• 中赤外スペクトルにおける放射線輸送による励起効果と実際のダスト進化の影響を分離すること。
• 観測されたスペクトル変化を説明するため、PAHと極小粒子状ダスト（VSG）の相対的含有量の変化が寄与しているかどうかを特定すること。
• 散乱銀河縁付近のCirrusダストを基準として、PDRにおけるダスト性質の進化を定量化すること。
• PDRにおけるダスト進化が、銀河におけるPAHベースの星形成率指標の解釈に与える影響を評価すること。

提案手法

• Désertら（1990）のモデルに基づくダスト放射モデルを用い、散乱銀河縁付近の宇宙空間ダスト（Cirrusダスト）の減光および放射を再現する。
• 放射線輸送コードとモデルを結合し、PDRにおける非等方的紫外放射場によるダスト粒子の励起をシミュレートする。
• 観測スペクトルとモデル予測との間で、中赤外スペクトルプロファイル（PAHバンドは7–9 μm、連続スペクトルは22–24 μm）を比較する。
• PAHとVSGの相対的含有量を変化させることで、観測されたスペクトル形状に適合させ、ダスト進化の影響を励起効果から分離する。
• スパitzer-IRSの空間分解スペクトルを用い、NGC2023 Northの散乱照光縁と密集冷たい領域におけるダスト性質を比較する。
• モデルでは、PAHとVSGが5–35 μmスペクトルを支配すると仮定し、星の近傍の空洞部では背景連続スペクトルが顕著になるものとする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 放射線輸送効果が、PDRにおける7–9 μm（PAH）と22–24 μm（中赤外連続スペクトル）の放射比の観測された低下をどの程度説明できるか。
• RQ2 NGC2023 Northの密集した照光リッジに沿って、PAHとVSGの相対的含有量はどのように変化するか。
• RQ3 ホースヘッドネブロラのダストはCirrusに類似した性質を示しているのか、それとも顕著な処理を受けているのか。
• RQ4 PDRの散乱領域から密集領域へ移行する際、PAH/VSG含有量の低下を引き起こす物理的過程は何か。
• RQ5 PDRにおけるダスト進化は、銀河におけるPAH放射を星形成率指標として解釈する際にどのような影響を及えるか。

主な発見

• 放射線輸送効果だけでは、ホースヘッドネブロラおよびNGC2023 Northにおける中赤外放射の観測されたスペクトル変化を説明できない。
• ホースヘッドネブロラのピーク放射部では、Cirrus基準ケースと比較してPAH/VSG相対含有量が2.4倍低下している。
• NGC2023 Northでは、散乱照光縁から密集冷たい内部領域にかけて、PAH/VSG含有量比が約5倍低下している。
• NGC2023 Northの散乱照光部分のダスト性質は、Cirrusダストと一致しており、ここでは顕著な処理は見られない。
• 観測されたスペクトルの進化は、小スケール（密集照光リッジ）で発生しており、『密集』から『散乱』に類似した性質への急速なダスト処理が進行していることが示唆される。
• PAH含有量の低下は、PAHクラスタの光蒸発、ダスト凝集体からの解離、またはUV駆動による脂肪族炭化水素から芳香族炭化水素への変換といったシナリオと整合的である。