[论文解读] Chemical abundances and temperature structure of H II regions

G. Domínguez-Guzmán, M. Rodríguez+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2019

Atmospheric Ozone and Climate被引用 4

一句话总结

本研究分析了37个H II区的高分辨率光谱，包括八项新的大、小麦哲伦云观测结果，以探究化学元素丰度比和温度结构。通过调整温度结构模型——采用中间温度，并结合[N ii]和[O iii]的电子温度——发现S/O、Cl/O和Ar/O比值在金属度变化下保持恒定，解决了传统双区模型存在的矛盾。

ABSTRACT

We use a sample of 37 H II regions with high quality spectra to study the behavior of the relative abundances of several elements as a function of metallicity. The sample includes spectra for eight H II regions of the Magellanic Clouds, obtained with UVES/VLT; the rest are gathered from the literature. We find that if we use the traditional twozone scheme of temperature for the observed ions, the S/O, Cl/O and Ar/O abundance ratios increase with metallicity. However, with slight changes in the temperature structure, which include the use of intermediate temperatures, these ratios are constant with metallicity, as expected. Therefore, high quality observations allow us to deepen our understanding of the temperature structure of H II regions.

研究动机与目标

• 通过使用小麦哲伦云的高质量光谱，提高H II区化学丰度测定的准确性。
• 探究为何传统双区温度模型会产生随金属度增加而上升的S/O、Cl/O和Ar/O比值，这与理论预期相反。
• 检验是否通过引入中间温度和综合诊断方法的改进温度结构模型，能在不同金属度下获得更一致的丰度比。
• 验证光致电离模型中离子化校正因子（ICFs）在H II区的应用，特别是对氖及其他具有复杂电离结构的元素。
• 基于巴尔末线和帕邢线的线比，确定单个H II区最合适的消光定律，以改进消光校正。

提出的方法

• 使用UVES/VLT对大、小麦哲伦云中的八个H II区获取深摄谱，光谱分辨率高（λ/Δλ ≈ 11,600），并采用大气色散校正以最小化空气质量影响。
• 使用PyNeb对物理条件进行统一分析，包括电子密度（基于[O ii]、[S ii]、[Cl iii]、[Ar iv]）和电子温度（基于[N ii]、[O iii]）。
• 应用传统的双区温度方案（[N ii]的温度用于一价离子，[O iii]的温度用于二价离子），并与采用中间温度及对重元素使用平均T([N ii])和T([O iii])的改进方案进行比较。
• 使用Delgado-Inglada等人（2014年）的ICFs计算离子丰度，并通过Reyes-Pérez等人（2019年，待发表）的光致电离模型进行验证。
• 通过巴尔末线和帕邢线的线比确定消光系数c(Hβ)，测试Howarth（1983年）和O’Donnell（1994年）两种消光定律，以确定每源的最佳拟合结果。
• 从文献中整理29份额外的高质量光谱，扩展金属度基线，从而在宽广的金属度范围内稳健分析丰度趋势。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何传统双区温度模型会产生随金属度增加而上升的S/O、Cl/O和Ar/O丰度比，与理论预期的恒定性相悖？
• RQ2 是否可通过采用中间温度和综合诊断方法的改进温度结构模型，使S、Cl和Ar的丰度比在金属度变化下保持不变？
• RQ3 不同消光定律（Rv = 3.1 与 Rv = 5.5）对H II区的消光校正和丰度测定有何影响？
• RQ4 对氖及其他元素的离子化校正因子（ICFs）在Ne/O丰度比观测离散性中起多大作用？
• RQ5 当使用与真实数据相同的分析方法时，光致电离模型在多大程度上能再现观测到的丰度趋势？

主要发现

• 传统双区温度模型导致S/O、Cl/O和Ar/O丰度比随金属度增加而上升，与理论预期的恒定性相矛盾。
• 当采用中间温度，并对Cl++使用T([N ii])，对S++和Ar++使用T([N ii])与T([O iii])的平均值时，S/O、Cl/O和Ar/O比值在不同金属度下近似保持恒定。
• 标准模型中丰度比随金属度增加的现象，是由于温度结构假设错误所致，而非真实物理趋势。
• 氖的ICF是Ne/O丰度比观测离散性的主要来源，光致电离模型预测结果的一致性证实了这一点。
• O’Donnell（1994年）消光定律（Rv = 5.5）对两个H II区（N88A和N90）的拟合优于Howarth（1983年）（Rv = 3.1），表明尘埃性质存在差异。
• 高质量光谱，尤其是来自小麦哲伦云的光谱，对于检测对丰度测定有显著影响的微小温度结构效应至关重要。