[论文解读] Photoevaporating PDR models with the Hydra PDR Code

Émeric Bron, M. Agúndez+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2018

Atmospheric Ozone and Climate参考文献 2被引用 12

一句话总结

本研究开发了一款1D流体动力学PDR代码，耦合了辐射转移、热化学与流体动力学，用于模拟分子云边缘的光致蒸发。结果表明，光致蒸发自然产生高热压强（$P/k_B \sim 10^7{-}10^8\ \mathrm{K\,cm^{-3}}$）和线性$P$-$G_0$相关性，与近期赫歇尔（Herschel）和ALMA观测结果一致，且无需依赖小尺度团块结构即可解释观测到的密度对比度。

ABSTRACT

Recent Herschel and ALMA observations of Photodissociation Regions (PDRs) have revealed the presence of a high thermal pressure (P ~ 10^7-10^8 K cm-3) thin compressed layer at the PDR surface where warm molecular tracer emission (e.g. CH+, SH+, high-J CO, H2,...) originate. These high pressures (unbalanced by the surrounding environment) and a correlation between pressure and incident FUV field (G0) seem to indicate a dynamical origin with the radiation field playing an important role in driving the dynamics. We investigate whether photoevaporation of the illuminated edge of a molecular cloud could explain these high pressures and pressure-UV field correlation. We developed a 1D hydrodynamical PDR code coupling hydrodynamics, EUV and FUV radiative transfer and time-dependent thermo-chemical evolution. We applied it to a 1D plane-parallel photoevaporation scenario where a UV-illuminated molecular cloud can freely evaporate in a surrounding low-pressure medium. We find that photoevaporation can produce high thermal pressures and the observed P-G0 correlation, almost independently from the initial gas density. In addition, we find that constant-pressure PDR models are a better approximation to the structure of photoevaporating PDRs than constant-density PDR models, although moderate pressure gradients are present. Strong density gradients from the molecular to the neutral atomic region are found, which naturally explain the large density contrasts (1-2 orders of magnitude) derived from observations of different tracers. The photoevaporating PDR is preceded by a low velocity shock (a few km/s) propagating into the molecular cloud. Photoevaporating PDR models offer a promising explanation to the recent observational evidence of dynamical effects in PDRs.

研究动机与目标

• 探究分子云边缘的光致蒸发是否能解释PDR中观测到的高热压强（$P/k_B \sim 10^7{-}10^8\ \mathrm{K\,cm^{-3}}$）
• 检验光致蒸发是否能再现压强与入射FUV辐射场（$G_0$）之间的观测相关性
• 评估恒压PDR模型是否比恒密度模型更适用于描述光致蒸发PDR
• 确定PDR中不同示踪剂之间观测到的密度对比度的成因，特别是密度相差1–2个数量级的现象
• 表征光致蒸发前缘的结构，包括激波形成与流体动力学行为

提出的方法

• 开发了一款1D流体动力学PDR代码，耦合了1D流体动力学、EUV与FUV辐射转移以及时间依赖的热化学演化
• 代码求解在紫外辐射照射下自洽电离与冷却条件下的运动方程、能量方程与化学物种演化方程
• 在平面平行几何下求解辐射转移，同时考虑电离（EUV）与非电离（FUV）辐射场
• 在不同初始气体密度、入射辐射场（$G_0$）和恒星类型（O型、B型、A型）的参数空间上运行模型网格
• 在标准流体动力学与电离辐射流体动力学测试问题上对代码进行了验证
• 光致蒸发情景假设分子云边缘自由蒸发进入低压环境介质

实验结果

研究问题

• RQ1 光致蒸发是否能自然产生观测到的高热压强（$P/k_B \sim 10^7{-}10^8\ \mathrm{K\,cm^{-3}}$）？
• RQ2 光致蒸发机制是否能再现压强与入射FUV场（$G_0$）之间的线性相关性？
• RQ3 PDR中示踪剂之间的观测密度对比度是否更合理地由光致蒸发引起的连续密度梯度解释，而非小尺度团块结构？
• RQ4 激波在光致蒸发过程中的作用是什么？它们如何影响PDR结构？
• RQ5 恒星光谱类型与$G_0$如何影响光致蒸发PDR中的最终压强与流体动力学行为？

主要发现

• 光致蒸发在PDR中产生高热压强，$P/k_B \sim 10^7{-}10^8\ \mathrm{K\,cm^{-3}}$，与赫歇尔和ALMA的观测结果一致
• 自然再现了线性$P$-$G_0$相关性，且$P/G_0$比值的系统性偏移取决于恒星类型，较热的恒星在单位$G_0$下产生更高压强
• PDR中的压强梯度较弱（变化幅度最多为2倍），支持使用恒压PDR模型作为比恒密度模型更优的近似
• 在温暖分子层与原子层之间存在显著的密度梯度，原子区密度低1–2个数量级，无需依赖团块结构即可解释观测到的示踪剂对比度
• 在光致蒸发前缘前方，存在一个低速激波（0.5–7 km/s），将气体压缩数倍至数百倍
• 在某些条件下，中性光致蒸发流可能持续存在，提示在非直接邻接电离区的PDR中，[C ii] 158 μm等示踪剂可能存在潜在观测特征