[论文解读] A Corona Australis cloud filament seen in NIR scattered light. III. Modelling and comparison with Herschel sub-millimetre data

M. Juvela, V.-M. Pelkonen+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 68被引用 5

一句话总结

本研究结合赫歇尔亚毫米波尘埃发射、近红外（NIR）散射光以及恒星消光数据，对天坛座星云丝状结构的三维结构进行建模。结果表明，在低至中等消光程度下（A_V < 15），尘埃发射与散射光一致地追踪柱密度；然而，丝状体中心处NIR表面亮度的深度凹陷无法通过标准尘埃反照率模型再现，除非显著降低尘埃反照率，暗示可能存在尘埃性质变化或辐射场各向异性效应。

ABSTRACT

With recent Herschel observations, the northern filament of the Corona Australis cloud has now been mapped in a number of bands from 1.2um to 870um. The data set provides a good starting point for the study of the cloud over several orders of magnitude in density. We wish to examine the differences of the column density distributions derived from dust extinction, scattering, and emission, and to determine to what extent the observations are consistent with the standard dust models. From Herschel data, we calculate the column density distribution that is compared to the corresponding data derived in the near-infrared regime from the reddening of the background stars, and from the surface brightness attributed to light scattering. We construct three-dimensional radiative transfer models to describe the emission and the scattering. The scattered light traces low column densities of A_V~1mag better than the dust emission, remaining useful to A_V ~ 10-15 mag. Based on the models, the extinction and the level of dust emission are surprisingly consistent with a sub-millimetre dust emissivity typical of diffuse medium. However, the intensity of the scattered light is very low at the centre of the densest clump and this cannot be explained without a very low grain albedo. Both the scattered light and dust emission indicate an anisotropic radiation field. The modelling of the dust emission suggests that the radiation field intensity is at least three times the value of the normal interstellar radiation field. The inter-comparison between the extinction, light scattering, and dust emission provides very stringent constraints on the cloud structure, the illuminating radiation field, and the grain properties.

研究动机与目标

• 比较天坛座星云丝状结构中由尘埃消光（恒星消光）、近红外散射光以及亚毫米波尘埃发射所得出的柱密度估计值。
• 检验标准尘埃模型在大动态范围柱密度下与多波段观测的一致性。
• 利用辐射转移建模约束丝状体的三维结构、照明辐射场及尘埃性质。
• 探究观测到的丝状体中心处NIR散射光强度异常降低的原因，该现象无法由标准模型解释。

提出的方法

• 基于可变密度与尘埃性质的圆柱形丝状体几何结构，构建三维辐射转移模型。
• 利用赫歇尔在160、250、350和500 µm波段的亚毫米波表面亮度校准模型，以推导尘埃柱密度与发射率。
• 利用恒星消光测量独立估算A_V，并与散射光及发射数据进行交叉校准。
• 采用固定尘埃反照率与各向异性辐射场，对NIR散射光表面亮度进行建模，并与观测表面亮度图进行比较。
• 通过调整辐射场强度与各向异性（例如各向同性与南向分量之比为3:1），使模型匹配观测结果。
• 通过改变视线方向的FWHM与引入随机密度涨落，测试云气几何结构与内部非均匀性对结果的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在天坛座丝状体中，由消光、散射与发射所得出的柱密度估计值在多大程度上一致？
• RQ2 标准尘埃模型能否同时再现观测到的亚毫米波发射与NIR散射光？
• RQ3 为匹配观测到的亚毫米波与NIR数据，所需辐射场的强度与各向异性程度为何？
• RQ4 为何最致密团块中心处NIR散射光表面亮度异常偏低？
• RQ5 云气几何结构与内部非均匀性的不确定性如何影响所推导出的尘埃与辐射场参数？

主要发现

• 在A_V < 15范围内，三种柱密度估算方法——消光、散射光与尘埃发射——呈线性相关，差异可由尘埃消光截面不确定性和辐射场强度解释。
• 在低消光（A_V < 10）条件下，散射光提供最高角分辨率的柱密度图，其预测值与基于发射的估算值高度相关。
• 尘埃发射模型表明，辐射场强度约为标准星际辐射场（ISRF）的四倍，且各向异性特征表现为南向辐射分量占优（3:1比例）。
• 观测到的丝状体中心处NIR表面亮度凹陷无法通过标准尘埃反照率模型再现，需显著降低反照率（可能源于尘埃性质变化）。
• 建模结果表明，云气几何结构的不确定性（视线方向尺寸±30%）仅引起中心柱密度约20–40%的变化，表明主要结论具有稳健性。
• 亚毫米波尘埃发射率与弥漫星际介质中的典型值一致，表明致密区域中尘埃性质未发生强烈改变。