[论文解读] Deuterated molecular hydrogen in the Galactic ISM. New observations along seven translucent sightlines

S. Lacour, M. André+7 more|ArXiv.org|Oct 1, 2004

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 56被引用 37

一句话总结

本研究利用高分辨率光学CH和K I数据校正HD谱线中的饱和效应，对银河系内七条中等至高消光（A_V > 1 mag）的半透明视线进行了新的FUSE观测，测量了氘化分子氢（HD）的含量。研究得出了星际D/H比的严格下限，范围为3.7×10⁻⁷至4.3×10⁻⁶，并发现HD/H₂与H₂分子分数之间存在强烈相关性，表明在高消光区域，HD可作为D/H的可靠示踪剂。

ABSTRACT

We present column density measurements of the HD molecule in the interstellar gas toward 17 Galactic stars. The values for the seven most heavily reddened sightlines, with E(B-V) = 0.38-0.72, are derived from observations with the Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer (FUSE). The other ten values are from a reanalysis of spectra obtained with Copernicus. In all cases, high-resolution ground-based observations of KI and/or the CH molecule were used to constrain the gas velocity structure and to correct for saturation effects. Comparisons of the column densities HD, CH, CN, and KI in these 17 sightlines indicate that HD is most tightly correlated with CH. Stringent lower limits to the interstellar D/H ratio, derived from the HD/2H2 ratio, range from 3.7 10^(-7) to 4.3 10^(-6). Our results also suggest that the HD/H2 ratio increases with the molecular fraction f(H2) and that the interstellar D/H ratio might be obtained from HD by probing clouds with f(H2) = 1. Finally, we note an apparent relationship between the molecular fractions of hydrogen and deuterium.

研究动机与目标

• 测量先前因饱和效应而受限的高消光银河系视线中星际氘化分子氢（HD）的柱密度。
• 通过使用高分辨率光学CH和K I数据建模速度结构并校正HD谱线中的饱和效应，提高D/H比值测定的准确性。
• 研究HD/H₂比值与H₂分子分数（f(H₂)）之间的关系，评估HD是否可作为星际D/H比的可靠代理。
• 结合FUSE与重新分析的Copernicus数据，在17条视线中约束星际D/H比，重点关注最严重消光的目标。
• 探讨HD与H₂分子分数相关性对宇宙射线电离率及半透明云中ISM化学的影响。

提出的方法

• 利用远紫外光谱仪探测器（FUSE）卫星，对七颗早期型恒星（E(B-V) = 0.38–0.72）进行远紫外（FUV）光谱观测，获取HD的光谱数据。
• 利用高分辨率地面光学CH和K I光谱，绘制星际气体的速度结构，并校正HD吸收线中的饱和效应。
• 采用曲线生长法与轮廓拟合法联合推导HD柱密度，饱和校正基于速度分辨的CH和K I数据。
• 将新获得的FUSE数据与重新分析的Copernicus光谱数据结合，将样本扩展至17条视线，实现对HD、CH、CN和K I柱密度的统计比较。
• 建模HD/H₂比值随H₂分子分数（f(H₂)）的变化关系，评估其在原子D不可探测区域作为D/H比代理的潜力。
• 利用Le Petit等人（2002）的模拟结果解释观测趋势，特别是HD形成对宇宙射线电离率和自遮蔽效应的依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在原子氘因重叠而无法探测的高消光银河系视线中，HD的柱密度是多少？
• RQ2 在多组分星际云中，如何利用高分辨率光学示踪剂（如CH和K I）校正HD谱线中的饱和效应？
• RQ3 HD/H₂比值与半透明云中H₂分子分数（f(H₂)）的相关性程度如何？
• RQ4 观测到的HD/H₂比值能否作为高消光区域星际D/H比的可靠代理？
• RQ5 HD、H₂与CH柱密度之间的观测相关性对宇宙射线电离率和ISM化学有何启示？

主要发现

• 本研究在七条最严重消光的视线中，得出了星际D/H比的严格下限，范围为3.7×10⁻⁷至4.3×10⁻⁶。
• 观测到HD/H₂比值与H₂分子分数（f(H₂)）之间存在强烈相关性，HD/H₂比值随f(H₂)增加而上升，与HD自遮蔽的理论模型一致。
• HD柱密度与CH柱密度的相关性最强，表明CH是这些视线中速度结构与柱密度的稳健示踪剂。
• f(HD)与f(H₂)之间的趋势表明，HD可用于推断高H₂分数区域的D/H比，尤其在f(H₂) ≈ 1的云中更为适用。
• 结果支持HD/H₂比值在高消光、高分子分数云中趋近于D/H比的假设，使HD成为银河系ISM中D/H的可行间接探测工具。
• H₂与HD分子分数之间的相关性表明，HD形成的差异可能反映了宇宙射线电离率或云结构的非均匀性，与化学模型预测一致。