[論文レビュー] Revisiting the effect of H2, HD and LiH molecules in the cooling of primordial gas

Joaquín Prieto, L. Infante+1 more|ArXiv.org|Sep 16, 2008

Quantum, superfluid, helium dynamics参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、非平衡化学ネットワークを用いて原始星形成期のガスにおけるH₂、HD、LiH分子の冷却効率を再評価した。HDは高密度（>100 cm⁻³）条件下で支配的となり、HDの質量分率が10⁻⁶n_Hを超えると、ガス温度が100 K未満に低下する。一方、LiHは低濃度のため冷却にほとんど寄与しない。

ABSTRACT

We use a non-equilibrium chemical network to revisit and study the effect of H_{2}, HD and LiH molecular cooling on a primordial element of gas. We solve both the thermal and chemical equations for a gas element with an initial temperature T\approx 1000K and a gas number density in the range n_{tot}=1-10^{4} cm^{-3}. At low densities, n_{tot}<10^{2} cm^{-3}, the gas reaches temperatures \sim 100K and the main coolant is H_{2}, but at higher densities, n_{tot}>10^{2} cm^{-3}, the HD molecule dominates the gas temperature evolution. The effect of LiH is negligible in all cases. We studied the effect of D abundance on the gas cooling. The D abundance was set initially to be in the range n_{D}/n_{H}=10^{-7}-10^{-4.5}, with n_{HD}/n_{H}={D^{+}}/n_{H}=10^{-10}. The simulations show that at n_{tot}>10^{2} cm^{-3} the HD cooling dominates the temperature evolution for D abundances greater than 10^{-5}n_{H}. This number decrease at higher densities. Furthermore, we studied the effect of electrons and ionized particules on the gas temperature. We followed the gas temperature evolution with n_{H_{+}}/n_{H}=10^{-4}-10^{-1} and n_{D^{+}}/n_{H^{+}}=10^{-5}. The gas temperature reached lower values at high ionization degree because electrons, H^{+} and D^{+} are catalizers in the formation paths of the H_{2} and HD molecules, which are the main coolers at low temperatures. Finaly, we studied the effect of an OB star, with T_{eff}=4 imes 10^{4}K, would have on gas cooling. It is very difficult for a gas with n_{tot} in the range between 1-100 cm^{-3} to drop its temperature if the star is at a distance less than 100 pc.

研究の動機と目的

• 原始星形成期のガスにおけるH₂、HD、LiHの冷却役割を再評価すること。
• 異なる密度におけるHDの質量分率の変動が冷却効率に与える影響を調査すること。
• 電子、H⁺、D⁺のイオン化状態がH₂およびHDの生成と冷却に与える影響を評価すること。
• 外部のOB星が低密度環境におけるガス冷却に与える影響をモデル化すること。
• 原始ハローにおける星形成が可能になるまでにガスが十分に冷却されるための臨界条件を特定すること。

提案手法

• 初期温度T = 1000 K、全密度n_tot = 1–1000 cm⁻³の単一ガス要素について、熱的および化学的進化方程式を連立で解く。
• H₂、HD、LiHおよび主要イオン（H⁺、D⁺、H₂⁺、H⁻）の生成・消失を追跡する非平衡化学ネットワークを用いる。
• H₂、HD、LiHの衝突励起冷却を組み込み、量子力学的遷移データに基づく冷却率を用いる。
• 外部のOB星（T_eff = 4×10⁴ K）からの光電離および加熱を、距離を変えてモデル化する。
• 電子およびイオン（H⁺/D⁺）によるH₂およびHD生成経路の触媒効果を含む。
• 反応速度定数は文献（例：Galli & Palla 1998, Stancil et al. 1996）から採用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 n_tot > 100 cm⁻³の条件下で、HDの質量分率が冷却効率に与える影響は？
• RQ2 高密度原始ガスにおいて、HD冷却がH₂冷却を上回る条件は？
• RQ3 電子、H⁺、D⁺などのイオン種がH₂およびHDの生成とその後の冷却に与える影響は？
• RQ4 外部のOB星がn_tot = 1–100 cm⁻³の低密度原始ガスの冷却に与える影響は？
• RQ5 LiHは優れた分子的性質を有するが、原始環境では有効な冷却剤となるか？

主な発見

• n_tot < 100 cm⁻³のとき、H₂が冷却を支配し、ガスは約100 Kまで冷却される。
• n_tot > 100 cm⁻³のとき、HD冷却が支配的となり、ガス温度が100 K未満にまで低下する。
• n_HD / n_H > 10⁻⁶のときHD冷却が支配的となり、密度が高くなるほど閾値は低下する。
• 電子およびH⁺/D⁺イオンはH₂およびHDの生成を促進し、イオン化度が高いほど最終的なガス温度が低くなる。
• 100 pc未満の距離に外部のOB星が存在すると、n_tot = 1–100 cm⁻³のガスは光加熱により冷却が阻止される。
• LiHは優れた放射遷移特性を有するが、原始的濃度が極めて低いため、冷却効果は無視できるほど小さい。