[論文レビュー] The role of neutral hydrogen in setting the abundances of molecular species in the Milky Way's diffuse interstellar medium. II. Comparison between observations and theoretical models

Daniel R. Rybarczyk, Munan Gong+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 73被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、銀河の微細なISMにおけるHCO+とH Iの観測を、光分解領域(PDR)モデルと多相ISMシミュレーションと比較することで、力学的過程が分子濃度形成に果たす役割を評価する。高エネルギーのHCO+の柱密度（>10¹² cm⁻²）が、温暖で密度の高い構造（Tₛ > 40 K）に存在し、熱的に不安定なH Iを示す場合、標準的なPDRモデルとは整合しない。これは、非平衡化学が支配的である可能性を示唆しており、おそらく乱流の散逸や衝撃波によって駆動されていると考えられる。

ABSTRACT

We compare observations of HI from the Very Large Array (VLA) and the Arecibo Observatory and observations of HCO$^+$ from the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) and the Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) in the diffuse ($A_V\lesssim1$) interstellar medium (ISM) to predictions from a photodissociation region (PDR) chemical model and multi-phase ISM simulations. Using a coarse grid of PDR models, we estimate the density, FUV radiation field, and cosmic ray ionization rate (CRIR) for each structure identified in HCO$^+$ and HI absorption. These structures fall into two categories. Structures with $T_s<40~\mathrm{K}$, mostly with $N(\mathrm{HCO^+})\lesssim10^{12}~\mathrm{cm^{-2}}$, are consistent with modest density, FUV radiation field, and CRIR models, typical of the diffuse molecular ISM. Structures with spin temperature $T_s>40~\mathrm{K}$, mostly with $N(\mathrm{HCO^+})\gtrsim10^{12}~\mathrm{cm^{-2}}$, are consistent with high density, FUV radiation field, and CRIR models, characteristic of environments close to massive star formation. The latter are also found in directions with a significant fraction of thermally unstable HI. In at least one case, we rule out the PDR model parameters, suggesting that alternative mechanisms (e.g., non-equilibrium processes like turbulent dissipation and/or shocks) are required to explain the observed HCO$^+$ in this direction. Similarly, while our observations and simulations of the turbulent, multi-phase ISM agree that HCO$^+$ formation occurs along sightlines with $N(\mathrm{HI})\gtrsim10^{21}~\mathrm{cm^{-2}}$, the simulated data fail to explain HCO$^+$ column densities $\gtrsim m{few} imes10^{12}~\mathrm{cm^{-2}}$. Since a majority of our sightlines with HCO$^+$ had such high column densities, this likely indicates that non-equilibrium chemistry is important for these lines of sight.

研究の動機と目的

• 標準的なUV支配のPDRモデルによる予測を上回る高HCO+柱密度を示す微細なISMにおける物理的状態を特定すること。
• Gongら（2017）のPDR化学モデルが、H I観測から得られる環境的制約を用いて、観測されたHCO+柱密度を再現できるかどうかを検証すること。
• 非平衡化学（例：乱流の散逸、衝撃波）がHCO+濃度を説明するために必要な状況を特定すること。
• 乱流を含む多相ISMのシミュレーションデータと観測結果を比較し、力学的過程がHCO+形成に果たす役割を評価すること。
• H Iスピン温度と熱的に不安定なH I分率が、ISMにおける非平衡化学の診断指標として有効かどうかを検討すること。

提案手法

• VLAおよびAreciboを用いた21-SPONGE調査のH I吸収・放射データを用い、スピン温度（Tₛ）、柱密度（N(H I)）、熱的に不安定なH I分率を導出する。
• ALMAおよびNOEMAのHCO+吸収データとH Iデータを統合し、吸収構造を特定し、N(HCO+)を測定する。
• Gong ら（2017）の粗いグリッドPDRモデルを用いて、各構造における必要ガス密度（n）、遠紫外放射場（G′）、宇宙線イオン化率（ξ/ξ₀）を推定する。
• PDRモデルの推定値と、FUV場およびCRIRに関する観測的制約を比較し、モデルの整合性を評価する。
• Gong ら（2020）の多相ISMシミュレーションを用いて、乱流による非平衡化学が観測されたHCO+柱密度を再現できるかどうかを検証する。
• C2H、HCN、OHなどの複数の元素のラインプロファイルおよび柱密度比を分析し、非平衡化学を調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ微細なISMにおけるHCO+柱密度が、標準的なPDRモデルの予測を1〜2桁上回ることが多いのか？
• RQ2 H Iスピン温度と熱的に不安定なH I分率は、高HCO+柱密度およびモデルの不一致と相関しているか？
• RQ3 密度、FUV場、CRIRを変化させたPDRモデルが、異なるH I特性を示す構造における観測されたHCO+濃度を再現できるか？
• RQ4 乱流の散逸を含む多相ISMシミュレーションが、観測されたHCO+柱密度をどの程度再現できるか？
• RQ5 PDR支配の化学と非平衡化学（例：TDR）を区別するスペクトル的特徴（例：広帯域、元素比）は存在するか？

主な発見

• Tₛ > 40 KでN(HCO+) ≳10¹² cm⁻²の構造は、高密度（n ∼10³–10⁴ cm⁻³）、高FUV（G′ ≳1）、高CRIR（ξ/ξ₀ ≳1）のPDRモデルを必要とし、大質量星形成領域に近い特徴を持つ。
• Tₛ ≤ 40 KでN(HCO+) ≲10¹² cm⁻²の冷却構造は、低密度（n ∼10²–10³ cm⁻³）、低FUV（G′ ≲1）、低CRIR（ξ/ξ₀ ≲1）のPDRモデルと整合する。これは、微細分子ISMの特徴である。
• 3C78の事例では、PDRモデルの推定値（n ∼10⁴ cm⁻³、G′ ∼10）が観測と矛盾する—C2H/HCN/HNCの検出なし、近くに大質量星が存在しない—非平衡化学が必要であると示唆する。
• Gong ら（2020）の乱流を含む多相ISMシミュレーションは、全H柱密度が ∼10²¹ cm⁻²のときHCO+形成を正しく予測するが、N(HCO+) ≳few ×10¹² cm⁻²の値を再現できない。
• HCO+吸収が検出された9本の視線のうち6本でN(HCO+) ≳few ×10¹² cm⁻²であったことから、これらの視線では非平衡化学が広範に存在している可能性がある。
• 2.3 km s⁻¹の高HCO+成分ではOH吸収が検出されないが、C2HおよびHCNは検出されている。これは、HCO+およびC2HがOHに対して相対的に増加している可能性を示唆し、非平衡化学のTDR予測と整合的である。