[論文レビュー] Unlocking the Keyhole - H2 and PAH emission from molecular clumps in the Keyhole Nebula

Kate Brooks, Michael Burton+3 more|UNSWorks (UNSW Sydney)|Oct 8, 2000

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、キーホール星雲におけるH₂ 1–0 S(1)および3.29 µmにおけるPAH発光をマッピングし、分子クラウドの周囲の光分解領域（PDR）を調査する。H₂およびPAH発光がη Carの風によって駆り立てられたクラウドで共存しており、表面にPDRが存在することを確認した。また、異なる径方向速度を持つクラウドが電離領域の前後や内部に位置することから、三次元構造が明らかになり、元の分子雲の残骸がUV放射によって光分解・破壊されていることが示された。

ABSTRACT

To better understand the environment surrounding CO emission clumps in the Keyhole Nebula, we have made images of the region in H2 1-0 S(1) (2.122 um) emission and polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) emission at 3.29 um. Our results show that the H2 and PAH emission regions are morphologically similar, existing as several clumps, all of which correspond to CO emission clumps and dark optical features. The emission confirms the existence of photodissociation regions (PDRs) on the surface of the clumps. By comparing the velocity range of the CO emission with the optical appearance of the H2 and PAH emission, we present a model of the Keyhole Nebula in which the most negative velocity clumps are in front of the ionization region, the clumps at intermediate velocities are in it, and those which have the least negative velocities are at the far side. It may be that these clumps, which appear to have been swept up from molecular gas by the stellar winds from eta Car, are now being over-run by the ionization region and forming PDRs on their surfaces. These clumps comprise the last remnants of the ambient molecular cloud around eta Car.

研究の動機と目的

• キーホール星雲の分子クラウドの物理的環境、特に周囲の電離ガスおよびUV放射場との相互作用を理解すること。
• H₂およびPAH発光がこれらのクラウドの表面に存在する光分解領域（PDR）を示しているかどうかを特定すること。
• 速度、空間的および形態的データを統合することで、クラウドの三次元幾何構造をH II領域に対して制約すること。
• UV放射が高密度でクラウド状の分子ガスにおける光分解および蛍光励起を駆動する役割を評価すること。
• 観測された放射度に基づいて、発光領域におけるPAHの柱密度および炭素の同位体比を推定すること。

提案手法

• ニューサウスウェールズ大学赤外ファブリ-ペロー（UNSWIRF）を用いて、2.122 µmにおけるH₂ 1–0 S(1)発光をマッピングした。
• 南極のSPIREX/アブ熱赤外カメラを用いて、3.29 µmにおけるPAH発光をマッピングした。
• コックスとブルンフマン（1995）のCO(2–1)ライン発光データに加え、光学画像および電波連続スペクトル発光データと照合して、H₂およびPAH発光の空間的分布を比較した。
• CO(2–1)発光からの速度情報を利用して、クラウドを電離前線の前、内、後ろに位置するものに分類した（H II領域の前後）。
• 3.29 µmの放射度F（単位：erg s⁻¹ cm⁻² sr⁻¹）を用いて、PAH柱密度をN_PAH ≈ 1.5 × 10¹⁴ × F / (1.2 × 10⁻¹⁵) cm⁻²の式で推定した。
• 光分解平衡が成立しているかを評価するため、非平衡状態における予想されるH₂ 1–0 S(1)対2–1 S(1)ライン比（約2）と観測値を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 H₂およびPAH発光が同じ領域に共存するか。これは、分子クラウドの表面に光分解領域（PDR）が存在することを示唆する。
• RQ2 CO発光クラウドの径方向速度は、H II領域の電離前線に対する空間的位置とどのように関係しているか。
• RQ3 キーホール星雲における分子クラウドの三次元幾何構造は何か。また、η Carからの電離放射とどのように関係しているか。
• RQ4 観測された3.29 µm発光に基づいて、これらの領域における宇宙空間の炭素の何パーセントがPAH分子に閉じ込められているか。
• RQ5 クラウドでは光分解平衡が成立しているか。それとも非平衡状態により蛍光ライン強度が強化されているか。

主な発見

• H₂およびPAH発光は形態的に類似しており、重なり合っており、両者とも遠紫外放射によって蛍光励起されていること、およびクラウド表面に光分解領域（PDR）が存在することを確認した。
• クラウドは3つの速度グループに分かれており、最も負の速度を持つクラウド（例：C、B、A1）は電離領域の前、中程度の速度（例：A1、A2、4、5）は領域内、最も正の速度（例：1、2、3）は裏側に位置し、三次元構造が明確になった。
• A1、A2、4、5などのクラウドは明るいリムを示しており、H II領域内に位置しており、A1は正面から、4および5は縁から観測されており、電離前線に位置することが確認された。
• クラウドA1のピーク3.29 µm放射度は3×10⁻³ erg s⁻¹ cm⁻² sr⁻¹であり、これによりPAH柱密度は約10¹⁴ cm⁻²と推定された。これは、この領域で全炭素の最大30％がPAH分子に存在している可能性を示唆している。
• 光分解平衡に達するまでの時間スケール（5×10⁴年）は、風の推定年齢（約10³年）を上回っており、非平衡状態が成立しているとみられ、蛍光ライン強度が強化されている可能性がある。
• 光分解平衡が成立していない場合、H₂ 1–0 S(1)対2–1 S(1)ライン比は定常状態の予測値からずれる可能性があり、将来的な観測で検証可能である。