[论文解读] Diagnostics of irradiated gas in galaxy nuclei. I: A Far-ultraviolet and X-ray dominated region code

R. Meijerink, M. Spaans|ArXiv.org|Feb 22, 2005

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 56被引用 254

一句话总结

本论文提出了一种耦合的远紫外辐射区（PDR）与X射线辐射区（XDR）模型，用于模拟星系核中受辐照的气体，综合考虑了详细的热力学、化学及辐射过程，包括多环芳烃（PAHs）和H₂激发。关键结果表明，XDR中的柱密度比值（如CO/C、HNC/HCN）在$N_{\rm H} = 10^{22}\rm\thinspace cm^{-2}$以内几乎保持恒定，而PDR中的比值则随条件剧烈变化，凸显了在不同辐射场和密度下PDR与XDR在化学结构上的根本差异。

ABSTRACT

We present a far-ultraviolet (PDR) and an X-ray dominated region (XDR) code. We include and discuss thermal and chemical processes that pertain to irradiated gas. An elaborate chemical network is used and a careful treatment of PAHs and H2 formation, destruction and excitation is included. For both codes we calculate four depth-dependent models for different densities and radiation fields, relevant to conditions in starburst galaxies and active galactic nuclei. A detailed comparison between PDR and XDR physics is made for total gas column densities between ~10^20 and ~10^25 cm^-2. We show cumulative line intensities for a number of fine-structure lines (e.g., [CII], [OI], [CI], [SiII], [FeII]), as well as cumulative column densities and column density ratios for a number of species (e.g., CO/H2, CO/C, HCO+/HCN, HNC/HCN). The comparison between the results for the PDRs and XDRs shows that column density ratios are almost constant up to N_H=10^22 cm^-2 for XDRs, unlike those in PDRs. For example, CO/C in PDRs changes over four orders of magnitude from the edge to N_H=10^22 cm^-2. The CO/C and CO/H2 ratios are lower in XDRs at low column densities and rise at N_H > 10^23 cm^-2. At most column densities N_H > 10^21.5 cm^-2, HNC/HCN ratios are lower in XDRs too, but they show a more moderate increase at higher N_H.

研究动机与目标

• 开发一个全面的PDR与XDR模型，模拟在真实物理条件下星系核中受辐照的气体。
• 研究受远紫外（FUV）和X射线辐射场辐照的气体的热力学与化学结构。
• 比较星暴星系和活动星系核中相关密度与辐射场条件下PDR与XDR的物理特性。
• 为解释高红移及本地星系核中观测到的亚毫米线与柱密度比值提供诊断工具。
• 量化在PDR与XDR环境中，随着总氢柱密度增加，CO/C、HNC/HCN与CO/H₂等柱密度比值的演化规律。

提出的方法

• 模型采用单侧辐照的无限大平板几何结构，无几何稀释，模拟星系中心的物理条件。
• 采用复杂的化学网络，包括离子-分子反应、光致电离及由FUV与X射线场驱动的电荷转移过程。
• 热平衡通过包含尘埃与PAH的光电发射加热、H₂的FUV泵浦以及宇宙射线加热，以及通过亚毫米线与分子转动跃迁冷却来计算。
• H₂的形成、破坏与振动激发通过Tine等（1997）与Yan（1997）提供的速率系数建模，包括形成时的振动能量统计分布。
• X射线吸收通过Verner与Yakovlev（1995）提供的总元素丰度与X射线截面计算，深度依赖的通量衰减通过$F(E,z) = F(E,0)\times\rm exp(-\tau)$实现。
• 通过深度积分计算谱线强度与柱密度，辐射转移通过自洽的电离与激发计算处理。

实验结果

研究问题

• RQ1 在PDR与XDR中，随着总氢柱密度$N_{\rm H}$增加，CO/C、HNC/HCN与CO/H₂等柱密度比值如何演化？
• RQ2 FUV与X射线辐射场对星系核中受辐照气体的热结构与化学组成有何影响？
• RQ3 PDR与XDR模型中关键示踪谱线（如[CII] 158 μm、[OI] 63 μm与H₂转动-振动跃迁线）的累积谱线强度有何差异？
• RQ4 XDR在宽广的柱密度范围内是否比PDR更保持恒定的丰度比？
• RQ5 在不同辐射场下，PDR与XDR中碳物种（C⁺、C、CO）的相对丰度如何随云层深度变化？

主要发现

• 在PDR中，CO/C柱密度比值从云层表面到$N_{\rm H} = 10^{22}\rm\thinspace cm^{-2}$之间变化超过四个数量级，表明其对辐射场与密度高度敏感。
• 在XDR中，CO/C比值在$N_{\rm H} = 10^{22}\rm\thinspace cm^{-2}$以内几乎保持恒定，表明X射线辐照下化学结构更具稳定性。
• 在低柱密度下，XDR中的CO/C与CO/H₂比值较低，但在$N_{\rm H} > 10^{23}\rm\thinspace cm^{-2}$时显著上升，表明深层XDR中分子形成增强。
• 在$N_{\rm H} > 10^{21.5}\rm\thinspace cm^{-2}$时，XDR中的HNC/HCN比值低于PDR，但随柱密度增加的幅度较PDR更平缓。
• 如[CII] 158 μm与[OI] 63 μm等亚毫米线强度在PDR与XDR中均较强，但其相对强度因电离与激发机制不同而存在差异。
• 模型预测XDR表现出从H到H₂以及从C⁺到C再到CO的更平滑过渡，与FUV加热主导的PDR表面加热机制相比，X射线加热具有体积主导特性。