[论文解读] Clumpy photon-dominated regions in Carina. I. [CI] and mid-J CO lines in two 4'x4' fields

C. Krämer, M. Cubick+32 more|ArXiv.org|Nov 8, 2007

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 1被引用 32

一句话总结

本研究利用不均匀的光子主导区（PDR）模型解释银河系船帆座星云两个4′×4′区域内的[C I]和中J CO辐射，发现静止的、不均匀的PDR模型，其平均团块密度约为~2×10⁵ cm⁻³，能够以20%以内的精度再现观测到的谱线强度。该模型成功解释了PDR界面处冷却谱线的空间与速度结构，支持团块性是紫外辐射穿透和气体激发的关键因素。

ABSTRACT

The Carina region is an excellent astrophysical laboratory for studying the feedback mechanisms of newly born, very massive stars within their natal giant molecular clouds (GMCs) at only 2.35 kpc distance. We use a clumpy PDR model to analyse the observed intensities of atomic carbon and CO and to derive the excitation conditions of the gas. The NANTEN2-4m submillimeter telescope was used to map the [CI] 3P1-3P0, 3P2-3P1 and CO 4-3, 7-6 lines in two 4'x4' regions of Carina where molecular material interfaces with radiation from the massive star clusters. One region is the northern molecular cloud near the compact OB cluster Tr14, and the second region is in the molecular cloud south of etaCar and Tr16. These data were combined with 13CO SEST spectra, HIRES/IRAS 60um and 100um maps of the FIR continuum, and maps of 8um IRAC/Spitzer and MSX emission. We used the HIRES far-infrared dust data to create a map of the FUV field heating the gas. The northern region shows an FUV field of a few 1000 in Draine units while the field of the southern region is about a factor 10 weaker. We constructed models consisting of an ensemble of small spherically symmetric PDR clumps within the 38" beam (0.43pc), which follow canonical power-law mass and mass-size distributions. We find that an average local clump density of 2x10**5 cm-3 is needed to reproduce the observed line emission at two selected interface positions. Stationary, clumpy PDR models reproduce the observed cooling lines of atomic carbon and CO at two positions in the Carina Nebula.

研究动机与目标

• 利用[C I]和中J CO谱线辐射，研究船帆座星云光子主导区（PDR）中分子气体的激发条件。
• 检验不均匀PDR模型是否能再现由大质量恒星照亮区域中观测到的谱线强度与空间-速度结构。
• 确定团块密度与分布对PDR中紫外辐射穿透与冷却效率的增强作用。
• 评估不均匀PDR模型与观测到的12CO和[C I]谱线强度比的一致性，特别是4–3、7–6和2–1跃迁。
• 评估观测到的13CO 2–1谱线强度与模型预测值之间的差异，后者约为预测值的一半。

提出的方法

• 利用NANTEN2-4m亚毫米波望远镜对船帆座区域两个4′×4′区域内的[C I] ³P₁–³P₀、³P₂–³P₁以及CO 4–3、7–6谱线进行了观测。
• 利用HIRES/IRAS 60 μm和100 μm的远红外（FIR）尘埃辐射图，估算星际远紫外（FUV）辐射场强度（以Draine单位表示）。
• 利用IRAC 8 μm和MSX 8 μm的发射图追踪电离区域与加热尘埃的位置，识别PDR界面区域。
• 应用KOSMA-τ PDR代码，对具有典型幂律质量与质量-尺寸分布的球对称、不均匀PDR进行建模。
• 调整团块密度、尺寸与数密度，使模型在两个界面位置（一个靠近Tr 14，另一个位于η Car以南）的谱线强度与观测值匹配。
• 模型假设辐射仅来自团块，不包括团间介质或弥散包层的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 不均匀PDR模型能否再现船帆座星云PDR界面处观测到的[C I]与CO谱线强度？
• RQ2 在两个观测区域中，为匹配观测到的12CO 7–6/4–3与[C I] 2–1/1–0谱线强度比，所需的平均团块密度是多少？
• RQ3 北部（Tr 14）与南部（η Car）区域的FUV辐射场有何差异？这种差异如何影响谱线辐射？
• RQ4 为何观测到的13CO 2–1谱线强度仅为不均匀PDR模型预测值的一半？
• RQ5 [C I]与CO辐射在多大程度上反映H₂柱密度，而非PDR界面处的FUV照射强度？

主要发现

• 船帆座北部区域表现出复杂的速度与空间结构，而南部区域仅显示单一高斯速度分量，表明其为更均匀的边缘朝向PDR。
• 北部区域的FUV辐射场约为10³ Draine单位，而南部区域的辐射场弱约十倍。
• 在两个界面位置，观测到的[C I] 2–1/1–0与12CO 7–6/4–3谱线强度比分别为0.6–0.7和0.3–0.4，与不均匀PDR模型一致。
• 稳态不均匀PDR模型中，平均团块密度约为~2×10⁵ cm⁻³，可将12CO与[C I]谱线的绝对强度再现至20%以内，达到校准精度。
• 观测到的13CO 2–1谱线强度约为模型预测值的一半，该差异在其他研究（如B68）中亦有报道，提示当前PDR建模存在局限性或存在额外的物理效应。
• [C I]与CO辐射与H₂柱密度相关，而非与FUV强度相关，表明这些谱线更可靠地追踪分子气体质量，而非局部辐射场。