[论文解读] Dehydrogenation of polycyclic aromatic hydrocarbons in the diffuse interstellar medium

My Ha Vuong, B. H. Foing|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2000

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 9

一句话总结

本文模拟了多环芳烃（PAHs）在弥散星际介质中的氢化与脱氢状态，表明对于小PAHs，光致离解占主导地位，导致低密度区域中强烈脱氢。大PAHs（>40个碳原子）保持完全氢化且稳定，是近红外巡天中探测漫射星际带（DIBs）的首选候选者。

ABSTRACT

We present a model for the hydrogenation states of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) in the diffuse interstellar medium. First, we study the abundance of hydrogenation and charge states of PAHs due to photo-ionization, photo-dissociation in the interstellar UV field, electron recombination and chemical reactions between PAH cations and H or H_2. For PAH cations, we find that the dehydrogenation effects are dominant. The hydrogenation state of PAHs depends strongly on the H density, the size of the molecule and UV field. In diffuse clouds with low H density and normal UV radiation, PAHs containing less than 40 C are completely or strongly dehydrogenated whereas at high H density, they are normally hydrogenated. The partially dehydrogenated species dominate in intermediate density clouds. PAHs above 40 C are quite stable and are fully hydrogenated, which would favor their spectroscopic search in near IR surveys of Diffuse Interstellar Bands (DIBs).

研究动机与目标

• 在不同物理条件下，模拟弥散星际云中PAH的氢化与电荷态丰度。
• 确定主导PAH演化的关键过程——光致离解、光致电离、电子复合反应，以及与H或H₂的反应。
• 评估PAH在星际介质中可探测性的意义，特别是与漫射星际带（DIBs）的关系。
• 评估分子尺寸、氢密度和紫外场强度对PAH阳离子稳定性与氢化状态的影响。
• 识别出完全氢化的大PAHs在近红外波段可被光谱探测的条件。

提出的方法

• 使用统计模型，包括RRKM理论，基于振动模式的能量分布估算PAH阳离子的光致离解速率。
• 应用朗金速率理论（≈10⁻⁹ cm³ s⁻¹）计算PAH阳离子与H或H₂的反应速率，假设速率与活性碳位点数成正比。
• 利用紫外吸收截面、电离量子产率（Verstraete等人的数据）和星际紫外场（Gondhalekar谱）计算光致电离速率。
• 使用Spitzer公式估算电子复合速率，结合PAH尺寸与温度进行调整，并为大分子增加校正项。
• 通过平衡H加成与H损失速率，构建氢化状态分布，采用归一化丰度模型，其中x_H = k_add / k_diss。
• 通过调节可用H加成位点的权重，模拟氢化状态分布随H密度（n_H）和紫外强度的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么决定了弥散星际云中PAH阳离子的主导氢化状态？
• RQ2 光致离解与H加成速率如何竞争，从而塑造不同PAH物种的丰度？
• RQ3 PAH分子尺寸如何影响其在紫外辐射下的稳定性和氢化状态？
• RQ4 在何种氢密度下，部分脱氢的PAHs会成为主导物种？
• RQ5 哪一尺寸范围的PAH最有可能产生与漫射星际带（DIBs）相关的可探测近红外跃迁？

主要发现

• 对于碳原子数少于40的PAH阳离子，在低H密度、高紫外辐射环境下，脱氢占主导，导致高度脱氢的物种。
• 在高氢密度下（n_H > 20–30 cm⁻³），小PAHs主要为氢化状态，而中等密度则有利于部分脱氢状态。
• 碳原子数超过40的PAHs因振动自由度增加，能有效耗散紫外能量，光致离解速率降低，从而保持完全氢化且稳定。
• 冠烯阳离子（C₂₄H₁₂⁺）因对称结构导致光致离解速率较高，限制了红外弛豫，增强了脱氢。
• 预测大于40个碳原子的PAHs将表现出具有2–4 cm⁻¹半高全宽（FWHM）的转动跃迁，使其在近红外DIB巡天中可被探测。
• 当x_H ≈ 1（其中x_H = k_add / k_diss）时，氢化状态的丰度达到最大，对应于各类尺寸PAHs中部分脱氢物种的峰值。