[論文レビュー] The Ratio of Ortho- to Para-H2 in Photodissociation Regions

A. Sternberg, David A. Neufeld|ArXiv.org|Dec 2, 1998

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 35被引用数 67

ひとこと要約

この論文は、光分解領域（PDRs）における長年の混乱を解消し、励起振動状態における観測された正位対歪位 H₂ 比（通常 ~1.7）が真の濃度比ではなく、FUVポンピングにおける光学的厚さ効果によって抑制されていることを示している。著者らは、正位-H₂ ポンピング線における光学的厚さ効果を適切に考慮すれば、この見かけの比が真の正位対歪位濃度比 3 と整合的であることを示しており、これは T > 200 K での熱平衡を示している。ISO の S140 観測がこれを裏付けている。

ABSTRACT

We discuss the ratio of ortho- to para-H2 in photodissociation regions (PDRs). We draw attention to an apparent confusion in the literature between the ortho-to-para ratio of molecules in FUV-pumped vibrationally excited states, and the H2 ortho-to-para abundance ratio. These ratios are not the same because the process of FUV-pumping of fluorescent H2 emission in PDRs occurs via optically thick absorption lines. Thus, gas with an equilibrium ratio of ortho- to para-H2 equal to 3 will yield FUV-pumped vibrationally excited ortho-to-para ratios smaller than 3, because the ortho-H2 pumping rates are preferentially reduced by optical depth effects. Indeed, if the ortho and para pumping lines are on the ``square root'' part of the curve-of-growth, then the expected ratio of ortho and para vibrational line strengths is the square root of 3, ~ 1.7, close to the typically observed value. Thus, contrary to what has sometimes been stated in the literature, most previous measurements of the ratio of ortho- to para-H2 in vibrationally excited states are entirely consistent with a total ortho-to-para ratio of 3, the equilibrium value for temperatures greater than 200 K. We present an analysis and several detailed models which illustrate the relationship between the total ratios of ortho- to para-H2 and the vibrationally excited ortho-to-para ratios in PDRs. Recent Infrared Space Observatory (ISO) measurements of pure rotational and vibrational H2 emissions from the PDR in the star-forming region S140 provide strong observational support for our conclusions.

研究の動機と目的

• 光分解領域（PDRs）における励起振動状態の H₂ における正位対歪位比と、真の正位対歪位濃度比の違いを明確にすること。
• 長年の文献の混乱を解消すること：励起振動状態における低値の正位対歪位比が、非平衡状態や低温形成の証拠であると誤って解釈されてきたこと。
• FUVポンピングにおける光学的厚さ効果が、正位-H₂ 遷移を歪位-H₂ よりも顕著に抑制することにより、観測された比が真の値 3 よりも低くなることを示すこと。
• S140 PDR における最新の ISO 観測を用いてモデルを検証し、真の正位対歪位比が 3 であることを示すこと。
• Draine & Bertoldi (1996) のモデル結果が、光学的厚さ効果を適切に考慮すれば、本研究の解釈と整合的であることを示すこと。

提案手法

• FUVポンピングにおけるPDRの理論的分析。H₂ 吸収線の成長曲線の挙動と、光学的厚さが正位および歪位-H₂ 遷移速度に与える影響に焦点を当てる。
• 成長曲線形式を用いた H₂ の放射ポンピングのモデル化。線強度の違いにより、光学的厚さ効果が正位-H₂ の有効ポンピング速度を歪位-H₂ よりも顕著に低下させる。
• 光学的厚さ条件下での励起振動状態における正位対歪位線強度比の計算。真の比が 3 の場合、予想される観測比は約 1.7 となる。
• S140 星形成領域における赤外宇宙望遠鏡（ISO）の H₂ 線比観測とモデル予測の比較。
• 既存モデル（例：Draine & Bertoldi 1996）の再分析。低密度およびFUV場での低観測比は、非局所熱平衡（non-LTE）条件ではなく、光学的厚さ抑制によるものであることを示す。
• 成長曲線近似を用いて、平方根領域における正位対歪位線強度比の期待値を導出。その値は $3^{1/2} \sim 1.7$ となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 T > 200 K での熱平衡では 3 が予想されるが、なぜPDRにおける励起振動状態 H₂ の観測された正位対歪位比は通常 1.5 から 2.2 の範囲にとどまるのか？
• RQ2 FUV吸収線における光学的厚さ効果が、PDRにおける正位-H₂ と歪位-H₂ のポンピングをどの程度、相対的に抑制するのか？
• RQ3 励起振動状態における低比が、真の正位対歪位濃度比が 3 であると仮定した場合に、熱平衡状態と整合することができるか？
• RQ4 S140 PDR における最新の ISO 観測は、光学的厚さ抑制が観測比と期待比の乖離を説明する仮説を支持しているか？
• RQ5 なぜ過去のモデル（例：Takayanagi et al. 1987）は、観測比に基づいて低形成温度を誤って推定したのか？光学的厚さを無視することがこの誤りに寄与したのか？

主な発見

• PDRにおける励起振動状態 H₂ の観測された正位対歪位比は通常 ~1.7 であり、光学的厚さ効果を考慮すれば真の正位対歪位濃度比 3 と整合的である。
• FUV吸収線における光学的厚さが、正位-H₂ のポンピングを歪位-H₂ よりも顕著に抑制することで、観測比が真の値 3 よりも低くなる。
• 正位および歪位ポンピング線が成長曲線の「平方根領域」にある場合、励起振動状態線強度比の期待値は $3^{1/2} \sim 1.7$ となり、観測値と一致する。
• S140 PDR における最新の ISO 観測では、中心星からの距離が短くなるに従い正位対歪位比が ~1.7 から ~3 に増加しており、外側の冷却領域におけるFUVポンピングから、内側の温暖領域における衝突励起への遷移を示唆している。
• Draine & Bertoldi (1996) のモデルは、明示的にこの区別を論じてはいないが、光学的厚さ効果を適切に考慮すれば、著者らの解釈と整合的である。低密度およびFUV場での低観測比は、非局所熱平衡条件ではなく、光学的厚さ抑制によるものである。
• S140 における真の正位対歪位濃度比は、観測されたすべての位置で 3 に非常に近いか、ほぼ 3 であると考えられ、T > 200 K での熱平衡を示唆している。これは、励起振動状態における低観測比とは矛盾しない。