[论文解读] Evolution of PAHs in photodissociation regions: Hydrogenation and charge states

J. Montillaud, C. Joblin+1 more|Jan 28, 2013

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 1被引用 59

一句话总结

本研究提出了一种多环芳烃（PAH）在光致分解区（PDRs）中化学演化的新型数值模型，整合了多光子事件及近期关于氢化与电离的实验数据。该模型成功再现了NGC 7023 NW PDR中观测到的电离比，揭示出中等大小PAH（50–90个碳原子）通常被氢化，更大的PAH（>90个C）则成为超氢化，而小PAH（<50个C）则完全去氢化，且完全去氢化过程在稀薄气体区域迅速发生。

ABSTRACT

Various studies have emphasized variations of the charge state and composition of the interstellar polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) population in photodissociation regions (PDRs). We aim to model the spatial evolution of the charge and hydrogenation states of PAHs in PDRs. We focus on the specific case of the north-west (NW) PDR of NGC 7023 and also discuss the case of the diffuse interstellar medium (ISM). The physical conditions in NGC 7023 NW are modelled using a state-of-the-art PDR code. We then use a new PAH chemical evolution model that includes recent experimental data on PAHs and describes multiphoton events. We consider a family of compact PAHs bearing up to 96 carbon atoms. The calculated ionization ratio is in good agreement with observations in NGC 7023 NW. Within the PDR, PAHs evolve into three major populations: medium-sized PAHs (5090) can be superhydrogenated, and smaller species (Nc&lt;50) are fully dehydrogenated. In the cavity, where the fullerene C60 was recently detected, all the studied PAHs are found to be quickly fully dehydrogenated. PAH chemical evolution exhibits a complex non-linear behaviour as a function of the UV radiation field because of multiphoton events. Steady state for hydrogenation is reached on timescales ranging from less than a year for small PAHs, up to 10000 years for large PAHs at Av=1. We identified critical reactions that need more studies. Our new model allows us to rationalize the observational constraints without any fitting parameter. PAHs smaller than 50 carbon atoms are not expected to survive in the NGC 7023 NW PDR. A similar conclusion is obtained for the diffuse ISM. Carbon clusters turn out to be end products of PAH photodissociation, and the evolution of these clusters needs to be investigated further to evaluate their impact on the chemical and physical evolution of PDRs.

研究动机与目标

• 定量模拟光致分解区（PDRs）中PAH电荷态与氢化状态的空间演化，特别是NGC 7023 NW区域。
• 解决与PAH电离及光电加热效率相关的PDR能量学中的矛盾。
• 评估在不同紫外辐射场与尘埃消光条件下PAH的存活与化学演化。
• 研究多光子事件在PAH光解离与氢化动力学中的作用。
• 评估PAH与近期在稀薄星际介质中探测到的C60富勒烯之间潜在的关联。

提出的方法

• 将先进的PDR代码与新型PAH化学演化模型相结合，通过每0.25 eV的离散能级区间追踪内部能量分布。
• 利用与能量相关的吸收截面和非电离产额，模拟通过非电离紫外-可见光子吸收引起的加热。
• 通过平均能量近似和各能级区间的冷却速率，模拟通过红外光子发射引起的冷却。
• 通过平均能量区间宽度计算解离速率，同时考虑多光子过程与内部能量依赖性。
• 整合近期关于PAH反应活性的实验与理论数据，包括阳离子复合、H2反应活性及H原子加成。
• 采用一组最多含96个碳原子的紧凑PAH，模拟其在不同辐射场与视觉消光（Av）条件下的演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在强紫外辐射下，NGC 7023 NW PDR中PAH电荷态与氢化状态如何空间演化？
• RQ2 多光子事件在高紫外环境中的非线性PAH演化中起何种作用？
• RQ3 为何NGC 7023 NW PDR中未探测到小PAH（<50个C），其存活阈值由何决定？
• RQ4 与致密PDR相比，NGC 7023稀薄空腔中氢化与电离状态有何不同？
• RQ5 PAH在PDR中对观测到的中红外发射与光电加热的贡献程度如何？

主要发现

• 该模型在无需任何拟合参数的情况下成功再现了NGC 7023 NW PDR中的观测电离比，验证了其预测能力。
• 中等大小PAH（50 ≤ N_C ≤ 90）主要处于氢化状态，而更大的PAH（N_C ≥ 90）可成为超氢化。
• 小PAH（N_C ≤ 50）在NGC 7023 NW PDR中完全去氢化，预计无法在此环境中存活。
• 在稀薄星际介质空腔中，所有研究的PAH均迅速完全去氢化，与近期C60的探测结果一致。
• 小PAH的稳态氢化在一年内即可达到，而大PAH在Av = 1时则需长达10^4年。
• PAH光解离最终产生碳簇，其在PDR演化中的化学与物理角色有待进一步研究。