[论文解读] A far UV study of interstellar gas towards HD34078: high excitation H2 and small scale structure - Based on observations performed by the FUSE mission and at the CFHT telescope

P. Boissé, Franck Le Petit+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2004

Atmospheric Ozone and Climate被引用 26

一句话总结

本研究利用五组 FUSE 和 CFHT 的 HD 34078 远紫外光谱，探究星际 H₂ 中的小尺度结构。研究识别出两个组分：一个前景半透明云层，以及一个靠近 O 型星、受强烈紫外辐射照射的致密层，后者导致 H₂ 处于高度激发态（最高至 v=2, J=11）。线轮廓变化不显著（J=0,1,2 的 ΔN/N ≤ 5%，高 J 能级 ≤30%）表明，在 5–50 AU 尺度上 H₂ 分布平滑且稳定，排除了强烈的微尺度密度涨落。

ABSTRACT

To investigate the presence of small scale structure in the spatial distribution of H2 molecules we have undertaken repeated FUSE UV observations of the runaway O9.5V star, HD34078. In this paper we present five spectra obtained between January 2000 and October 2002. These observations reveal an unexpectedly large amount of highly excited H2. Column densities for H2 levels from (v = 0, J = 0) up to (v = 0, J = 11) and for several v = 1 and v = 2 levels are determined. These results are interpreted in the frame of a model involving essentially two components: i) a foreground cloud (unaffected by HD34078) responsible for the H2 (J = 0, 1), CI, CH, CH+ and CO absorptions; ii) a dense layer of gas (n = 10E4 cm-3) close to the O star and strongly illuminated by its UV flux which accounts for the presence of highly excited H2. Our model successfully reproduces the H2 excitation, the CI fine-structure level populations as well as the CH, CH+ and CO column densities. We also examine the time variability of H2 absorption lines tracing each of these two components. From the stability of the J = 0, 1 and 2 damped H2 profiles we infer a 3 sigma upper limit on column density variations Delta(N(H2))/N(H2) of 5% over scales ranging from 5 to 50 AU. This result clearly rules out any pronounced ubiquitous small scale "density" structure of the kind apparently seen in HI. The lines from highly excited gas are also quite stable (equivalent to Delta(N)/N <= 30%) indicating i) that the ambient gas through which HD34078 is moving is relatively uniform and ii) that the gas flow along the shocked layer is not subject to marked instabilities

研究动机与目标

• 利用重复的远紫外观测，探测星际 H₂ 分布中的微尺度结构。
• 确定分子气体是否表现出 AU 尺度的密度涨落或化学不均一性。
• 对 HD 34078 方向的 H₂、CH、CH⁺、CO 和 CI 的激发态和柱密度进行建模。
• 通过吸收线的时间变异性，评估星际介质中的动力学稳定性。
• 检验双组分模型：一个前景半透明云层和一个靠近 HD 34078 的激波致密层。

提出的方法

• 在 2000 年 1 月至 2002 年 10 月期间获取了五组 FUSE 远紫外光谱，以监测吸收线的时间变异性。
• 通过光谱拟合确定了 H₂ 能级（v=0, J=0 至 11；v=1,2）的柱密度。
• 采用双组分模型：一个不受 HD 34078 影响的前景云层，以及一个靠近 O 型星的致密、紫外辐射照射层。
• 利用考虑激波层中荧光激发的辐射转移模型，拟合激发温度和柱密度。
• 量化了 H₂、CI、CH、CH⁺ 和 CO 线的时间变异性，以评估在 5–50 AU 空间尺度上的稳定性。
• 通过重现观测到的激发态图和 CI 的精细结构能级分布，验证了该模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 星际介质中 H₂ 的分布是否表现出如 CH 和 CO 等微量元素所暗示的微尺度（1–100 AU）密度结构？
• RQ2 HD 34078 吸收线方向中观测到的 H₂ 分子异常高激发态是由什么引起的？
• RQ3 HD 34078 所在介质在 AU 尺度上是否动力学稳定，如吸收线的时间变异性所指示的那样？
• RQ4 观测到的 H₂、CH、CH⁺、CO 和 CI 的激发态和柱密度能否通过一个包含前景云层和激波致密层的双组分模型加以解释？
• RQ5 是否存在 H₂ 柱密度长期变化的证据，且与已知的 10 年周期 CH 柱密度增加相关？

主要发现

• H₂ 激发态图能被一个靠近 HD 34078 的致密、紫外辐射照射层模型良好拟合，其密度 n ≈ 10⁴ cm⁻³，且存在强烈的荧光激发。
• 大部分 H₂（J=0,1）、CH、CH⁺、CO 和 CI 吸收来自距离约 380 pc 的前景半透明云层。
• 对 H₂ 的吸收线（J=0,1,2）进行分析，未发现显著的时间变异性，5–50 AU 尺度上 ΔN(H₂)/N(H₂) 的 3σ 上限 ≤ 5%。
• 高度激发的 H₂ 线（最高至 v=2, J=11）也表现出极小的变异性，ΔN/N ≤ 30%，表明激波层中具有稳定性。
• 缺乏显著的线轮廓变化，排除了在周围介质中存在强烈且普遍的微尺度密度涨落，这与 HI 中观察到的情况不同。
• 该模型成功重现了所有主要物种的观测柱密度和激发水平，支持双组分情景。