[论文解读] Limits on the cosmic-ray ionization rate toward massive young stars

F. van der Tak, E. F. van Dishoeck|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2000

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 13

一句话总结

本研究结合H₃⁺红外吸收与H¹³CO⁺亚毫米发射数据，利用多波长观测建模包层结构，约束了大质量原恒星方向的宇宙射线电离率（ζ_CR）。结果得到ζ_CR = (2.6 ± 1.8) × 10⁻¹⁷ s⁻¹，与弥漫云模型一致，但高于仅基于H₃⁺推导的估计值，原因在于前景云层的贡献。

ABSTRACT

Recent models of the envelopes of seven massive protostars are used to analyze observations of H3+ infrared absorption and H13CO+ submillimeter emission lines toward these stars, and to constrain the cosmic-ray ionization rate zeta. The H13CO+ gives best-fit values of zeta=(2.6+/- 1.8) x 10^-17 s^-1, in good agreement with diffuse cloud models and with recent Voyager/Pioneer data but factors of up to 7 lower than found from the H3+ data. No relation of zeta with luminosity or total column density is found, so that local (X-ray) ionization and shielding against cosmic rays appear unimportant for these sources. The difference between the H3+ and H13CO+ results and the correlation of N(H3+) with heliocentric distance suggest that intervening clouds contribute significantly to the H3+ absorptions in the more distant regions. The most likely absorbers are low-density (

研究动机与目标

• 利用分子谱线观测，确定大质量年轻恒星致密包层中的宇宙射线电离率（ζ_CR）。
• 解决由H₃⁺吸收与H¹³CO⁺发射数据推断的电离率之间的差异。
• 评估前景云层在H₃⁺吸收中的作用及其对电离率估计的影响。
• 检验ζ_CR是否与大质量原恒星包层中的光度、柱密度或遮蔽效应相关。

提出的方法

• 利用幂律密度分布和亚毫米波段连续辐射数据，建模原恒星包层的温度与密度结构。
• 采用非局部热动平衡辐射转移方法，结合蒙特卡洛模拟，计算CS、C³⁴S与C¹⁷O谱线的发射与吸收。
• 基于ζ_CR及涉及CO、O和电子的破坏路径，计算H₃⁺与HCO⁺的丰度。
• 通过对比观测到的H₃⁺柱密度与正交/平行比值与模型预测，推断来自H₃⁺吸收的ζ_CR。
• 利用H¹³CO⁺发射数据独立推导ζ_CR，假设HCO⁺丰度与ζ_CR呈线性关系。
• 通过关联H₃⁺柱密度与日心径向速度，并与低密度半透明云模型比较，评估中间云层的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于H₃⁺与H¹³CO⁺观测，大质量原恒星致密包层中的宇宙射线电离率（ζ_CR）是多少？
• RQ2 为何同一源中由H₃⁺推导的电离率系统性高于H¹³CO⁺数据结果？
• RQ3 前景或中间云层在遥远源中对H₃⁺吸收的贡献程度如何，特别是在远距离源中？
• RQ4 ζ_CR是否与原恒星光度、总H₂柱密度或这些系统中的遮蔽效应相关？
• RQ5 H₃⁺与H¹³CO⁺结果之间的差异是否可由低密度、半透明前景云层的存在来解释？

主要发现

• H¹³CO⁺数据的最佳拟合宇宙射线电离率为ζ_CR = (2.6 ± 1.8) × 10⁻¹⁷ s⁻¹，与弥漫云模型及旅行者/先驱者任务测量结果高度一致。
• H₃⁺推导的电离率系统性偏高，表明中间云层的贡献显著，而非致密原恒星包层本身。
• 观测到的H₃⁺柱密度与日心径向速度之间存在强相关性（r = 0.93），表明在更远距离的源中，前景云层主导了吸收。
• 低密度（≤10⁴ cm⁻³）半透明云层最可能是H₃⁺的吸收体，其柱密度贡献可达约~10¹⁴ cm⁻²。
• 未发现ζ_CR与原恒星光度或总H₂柱密度之间存在显著相关性，表明局部X射线电离与宇宙射线屏蔽并非主导因素。
• H₃⁺与H¹³CO⁺数据的ζ_CR上限比最佳拟合值高约3–5倍，表明存在中等程度的不确定性，但整体约束一致。