[논문 리뷰] Evolution of PAHs in photodissociation regions: Hydrogenation and charge states

J. Montillaud, C. Joblin외 1명|2013. 01. 28.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 1인용 수 59

한 줄 요약

이 연구는 광분해 영역(PDRs) 내 다환 방향족 화합물(PAH) 화학적 진화를 위한 새로운 수치 모델을 제시한다. 이 모델은 다광자 사건과 수소화 및 이온화에 관한 최신 실험 데이터를 통합하였으며, NGC 7023 북서부 PDR에서 관측된 이온화 비율을 성공적으로 재현하였다. 그 결과, 중간 크기의 PAH(50–90 탄소 원자)는 일반적으로 수소화되어 있으며, 더 큰 PAH(90개 이상의 탄소 원자)는 초수소화 상태에 이르게 되고, 작은 PAH(50개 이하의 탄소 원자)는 완전히 탈수소화되어 있으며, 이 과정는 희박한 기체 영역에서 빠르게 일어난다.

ABSTRACT

Various studies have emphasized variations of the charge state and composition of the interstellar polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) population in photodissociation regions (PDRs). We aim to model the spatial evolution of the charge and hydrogenation states of PAHs in PDRs. We focus on the specific case of the north-west (NW) PDR of NGC 7023 and also discuss the case of the diffuse interstellar medium (ISM). The physical conditions in NGC 7023 NW are modelled using a state-of-the-art PDR code. We then use a new PAH chemical evolution model that includes recent experimental data on PAHs and describes multiphoton events. We consider a family of compact PAHs bearing up to 96 carbon atoms. The calculated ionization ratio is in good agreement with observations in NGC 7023 NW. Within the PDR, PAHs evolve into three major populations: medium-sized PAHs (5090) can be superhydrogenated, and smaller species (Nc<50) are fully dehydrogenated. In the cavity, where the fullerene C60 was recently detected, all the studied PAHs are found to be quickly fully dehydrogenated. PAH chemical evolution exhibits a complex non-linear behaviour as a function of the UV radiation field because of multiphoton events. Steady state for hydrogenation is reached on timescales ranging from less than a year for small PAHs, up to 10000 years for large PAHs at Av=1. We identified critical reactions that need more studies. Our new model allows us to rationalize the observational constraints without any fitting parameter. PAHs smaller than 50 carbon atoms are not expected to survive in the NGC 7023 NW PDR. A similar conclusion is obtained for the diffuse ISM. Carbon clusters turn out to be end products of PAH photodissociation, and the evolution of these clusters needs to be investigated further to evaluate their impact on the chemical and physical evolution of PDRs.

연구 동기 및 목표

• 광분해 영역(PDRs) 내에서 PAH 전하 상태와 수소화 상태의 공간적 진화를 정량적으로 모델링하는 것, 특히 NGC 7023 북서부에서의 진화를 대상으로 한다.
• PAH 이온화와 광전자 가열 효율성과 연관된 PDR 에너지 균형의 모순을 해결하는 것.
• 자외선 복사장과 먼지 투과도 변화에 따른 PAH의 생존성과 화학적 진화를 평가하는 것.
• 다광자 사건이 고자외선 환경에서 PAH 광분해 및 수소화 역학에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 최근에 발견된 C60 플루오레인과 PAH 간의 잠재적 연관성을 평가하는 것.

제안 방법

• 0.25 eV 간격의 이산 에너지 밴드를 사용해 내부 에너지 분포를 추적하는 새로운 PAH 화학적 진화 모델을 최신 PDR 코드와 결합하였다.
• 에너지 의존성 흡수 단면적과 비이온화 수율을 사용해 비이온화 자외선-가시광선 흡수에 의한 가열을 모델링하였다.
• 평균 에너지 근사와 밴드별 냉각률을 사용해 적외선 복사에 의한 냉각을 시뮬레이션하였다.
• 에너지 밴드 폭의 평균을 취해 분해 속도를 계산하였으며, 다광자 과정과 내부 에너지 의존성도 고려했다.
• 최근의 실험 및 이론적 데이터를 통합하여 PAH 반응성, 특히 양이온 재결합, H2 반응성, 수소 원자 첨가를 고려했다.
• 최대 96개의 탄소 원자를 가진 밀집된 PAH의 가족을 사용하여, 다양한 복사장과 시각적 투과도(Av) 조건에서의 진화를 시뮬레이션하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 자외선 복사 조건에서 NGC 7023 북서부 PDR 내에서 PAH 전하 상태와 수소화 상태는 어떻게 공간적으로 진화하는가?
• RQ2 고자외선 환경에서 다광자 사건이 비선형적인 PAH 진화를 어떻게 이끌어내는가?
• RQ3 왜 NGC 7023 북서부 PDR에서는 작은 PAH(50개 이하의 탄소 원자)가 탐지되지 않으며, 그 생존 임계점은 무엇으로 결정되는가?
• RQ4 NGC 7023의 희박한 공기 구멍과 조밀한 PDR 영역 간에 수소화 및 이온화 상태는 어떻게 다를까?
• RQ5 PAH는 PDR 내 관측된 중간 적외선 방출과 광전자 가열에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 모델은 피팅 매개변수 없이도 NGC 7023 북서부 PDR에서 관측된 이온화 비율을 성공적으로 재현하여, 그 예측 능력을 입증하였다.
• 중간 크기의 PAH(50 ≤ N_C ≤ 90)는 주로 수소화되어 있으며, 더 큰 PAH(N_C ≥ 90)는 초수소화 상태에 이르게 된다.
• 작은 PAH(N_C ≤ 50)는 NGC 7023 북서부 PDR 내에서 완전히 탈수소화되어 있으며, 이 환경에서는 생존이 기대되지 않는다.
• 희박한 우주간 공기 구멍에서는 모든 연구된 PAH가 빠르게 완전히 탈수소화되며, 이는 최근에 C60가 탐지된 것과 일치한다.
• 작은 PAH의 경우 안정 상태 수소화는 1년 이내에 도달하지만, 큰 PAH는 Av = 1 조건에서 최대 10^4년이 걸린다.
• PAH 광분해의 결과로 탄소 클러스터가 생성되며, 이들의 화학적 및 물리적 역할은 PDR 진화 과정에서 추가 연구가 필요하다.