[논문 리뷰] Origin of CH+ in diffuse molecular clouds warm H2 and ion-neutral drift

Valeska Valdivia, B. Godard외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 09.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 60인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 이상자기유체역학(MHD) 시뮬레이션과 맞춤형 화학 해소기를 조합하여 희박한 분자운의 CH+ 기원을 조사한다. 이는 따뜻한 H2와 이온-중성자 이동의 역할을 평가하기 위한 것이다. 연구 결과, 1–10%의 H2 비율과 300 K 이상의 온도를 가진 덩어리 외곽에서 CH+가 효율적으로 생성되며, 이는 따뜻하고 평형이 깨진 H2가 CH+ 열량 밀도를 최대 10배까지 증가시킨다. 그러나 여전히 관측값보다 낮다. 이온-중성자 이동은 낮은 이동 속도와 흔하지 않은 발생 빈도로 인해 영향을 거의 미치지 못한다.

ABSTRACT

This paper assesses the roles of the presence of warm H2, and the increased formation rate due to the ion-neutral drift. We performed ideal MHD simulations that include the heating and cooling of the multiphase ISM, and where we treat dynamically the formation of H2. In a post-processing step we compute the abundances of species at chemical equilibrium. We show that CH+ is efficiently formed at the edge of clumps, in regions where the H2 fraction is low, but nevertheless higher than its equilibrium value, and where the gas temperature is high. We show that warm and out of equilibrium H2 increases the integrated column densities of CH+ by one order of magnitude, up to values still 3-10 times lower than those observed in the diffuse ISM. We balance the Lorentz force with the ion-neutral drag to estimate the ion-drift velocities (vd). We find that the vd distribution peaks around 0.04 km s-1, and that high vd are too rare to have a significant statistical impact on the abundances of CH+. Compared to previous works, our multiphase simulations reduce the spread in vd, and our self-consistent treatment of the ionisation leads to much reduced vd. Nevertheless, our resolution study shows that this velocity distribution is not converged: the ion-neutral drift has a higher impact on CH+ at higher resolution. On the other hand, our ideal MHD simulations do not include ambipolar diffusion, which would yield lower drift velocities. Within these limitations, we conclude that warm H2 is a key ingredient in the efficient formation of CH+ and that the ambipolar diffusion has very little influence on the abundance of CH+, mainly due to the small drift velocities obtained. However, we point out that small-scale processes and other non-thermal processes not included in our MHD simulation may be of crucial importance, and higher resolution studies with better controlled dissipation processes are needed.

연구 동기 및 목표

• 희박한 분자운에서 CH+ 기원을 이해하기 위해 오랫동안 미해결된 천체화학 문제를 해결하기 위함.
• 따뜻한 H2와 이온-중성자 이동이 관측된 CH+ 농도를 설명할 수 있는지 평가하기 위함.
• turbulent 혼합과 비평형 H2 형성이 CH+ 생성을 어떻게 증가시키는지 평가하기 위함.
• 이온-중성자 이동 속도가 CH+ 형성 속도에 미치는 영향을 정량화하기 위함.
• 모의된 CH+ 농도와 관측값을 일치시키는 데 누락된 물리적 과정을 특정하기 위함.

제안 방법

• 다상태 은하간매체에서 가열, 냉각 및 동적 H2 형성을 포함한 3차원 이상 MHD 시뮬레이션을 수행함.
• 지역 물리 조건을 입력으로 사용하여 화학 평형 상태에서 종의 농도를 계산하는 후처리 화학 해소기를 사용함.
• 내성 반응인 CH+ 형성에 유리한 조건을 찾기 위해 H2 비율과 온도를 추적함.
• MHD 시뮬레이션에서 루프력과 이온-중성자 마찰력을 균형 잡아 이온 이동 속도를 추정함.
• 이동 속도 분포를 계산하고, CH+ 형성에 미치는 통계적 영향을 평가함.
• 해상도 영향을 테스트하기 위해 해상도 분석을 수행함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 따뜻하고 비평형 H2가 희박한 분자운에서 관측된 증가된 CH+ 농도를 설명할 수 있는가?
• RQ2 실제 MHD 시뮬레이션에서 이온-중성자 이동은 CH+ 형성에 어느 정도 기여하는가?
• RQ3 난류 혼합과 다상태 구조는 CH+의 공간 분포와 농도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 왜 모의된 CH+ 열량 밀도는 여전히 관측값보다 크게 낮은가?
• RQ5 해상도와 수치적 소산은 이온 이동 속도 추정과 그 화학적 영향에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• CH+는 H2 비율이 1–10%이고 온도가 300 K 이상인 덩어리 외곽에서 효율적으로 생성되며, 따뜻하고 비평형 H2의 핵심적 역할을 시사한다.
• 따뜻한 H2는 통합된 CH+ 열량 밀도를 최대 10배까지 증가시켜 모의 결과를 관측값에 더 가깝게 만들지만, 여전히 관측값보다 3–10배 낮은 격차가 존재한다.
• 이온-중성자 이동 속도는 약 0.04 km/s에 피크를 이룬다. 고속도(>1 km/s)는 극히 드물게 발생하여 통계적 영향은 무시할 수 있다.
• 사용된 해상도에서 이온 이동 속도 분포는 수렴하지 않아, 향후 고해상도 시뮬레이션에서 애벌리티드 이완의 영향이 더 강하게 드러날 수 있다.
• MHD 시뮬레이션에서 이온화를 자동으로 처리함으로써 이전 연구보다 훨씬 낮은 이동 속도를 도출하였으며, 이는 이동의 역할이 감소했음을 의미한다.
• 이온-중성자 이동 속도의 크기와 빈도가 낮기 때문에 애벌리티드 이완이 CH+ 농도에 크게 기여할 가능성은 낮다.