[论文解读] Observations of H3+ in the Diffuse Interstellar Medium

Benjamin J. McCall, Kenneth H. Hinkle+7 more|ArXiv.org|Oct 30, 2001

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 61被引用 113

一句话总结

本文报告在七个弥漫星际云视线中检测到出乎意料的高 H₃⁺ 柱密度，挑战了弥漫云化学的标准模型。研究结果表明，必须修正关键参数——尤其是电子分数或 H₃⁺ 解离复合速率——因为观测到的丰度暗示路径长度过长或当前化学模型存在根本性缺陷。

ABSTRACT

Surprisingly large column densities of H3+ have been detected using infrared absorption spectroscopy in seven diffuse cloud sightlines (Cygnus OB2 12, Cygnus OB2 5, HD 183143, HD 20041, WR 104, WR 118, and WR 121), demonstrating that H3+ is ubiquitous in the diffuse interstellar medium. Using the standard model of diffuse cloud chemistry, our H3+ column densities imply unreasonably long path lengths (~1 kpc) and low densities (~3 cm^-3). Complimentary millimeter-wave, infrared, and visible observations of related species suggest that the chemical model is incorrect and that the number density of H3+ must be increased by one to two orders of magnitude. Possible solutions include a reduced electron fraction, an enhanced rate of H2 ionization, and/or a smaller value of the H3+ dissociative recombination rate constant than implied by laboratory experiments.

研究动机与目标

• 确定弥漫云中高 H₃⁺ 柱密度是否局限于特定区域，还是在整个星际介质中普遍存在。
• 通过将观测到的 H₃⁺ 丰度与理论预测值比较，检验标准弥漫云化学模型的有效性。
• 研究高 H₃⁺ 丰度是否由增强的宇宙射线电离率（ζ）或降低的电子分数（f），或低于预期的 H₃⁺ 解离复合速率（ke）引起。
• 评估观测到的 H₃⁺ 丰度在不同类型视线中是否一致，包括存在或不存在 CO、C₂ 或 CN 的视线。
• 识别可解决观测 H₃⁺ 与理论预测之间差异的观测路径，通过瞄准消光更小的视线进行研究。

提出的方法

• 利用位于梅纳尔4米望远镜上的 Phoenix 光谱仪和 UKIRT 上的 CGS4，通过红外吸收光谱法探测 H₃⁺ 在 3.668 μm 和 3.715 μm 处的跃迁。
• 采用新的转动跃迁标准命名法，分析 H₃⁺ 的 ν₂ 弯曲振动模式基带中的 R(1,0)–R(1,1) u 双峰。
• 同步获取红外 CO 光谱（基带和泛频带）以及高分辨率可见光波段原子和分子光谱，以约束云的物理条件。
• 利用地基吸收线进行波长定标，并通过标准星比对法去除大气吸收特征。
• 通过光谱拟合估算 H₃⁺ 柱密度，误差分析基于信噪比和定标精度。
• 将 H₃⁺ 柱密度与色指数 E(B-V) 及其他分子示踪物（CO、C i、C ii、CH）进行比较，以评估云的密度和电离状态。

实验结果

研究问题

• RQ1 弥漫云中高 H₃⁺ 丰度是否仅为天鹅座 OB2 区域的局部现象，还是弥漫 ISM 的普遍特征？
• RQ2 在标准化学模型下，观测到的 H₃⁺ 柱密度是否暗示了不切实际的长路径长度或低密度？
• RQ3 该差异是否可通过降低电子分数、增强 H₂ 电离速率，或低于实验室值的 H₃⁺ 解离复合速率来解释？
• RQ4 与未检测到 H₃⁺ 的视线相比，检测到 H₃⁺ 的视线中，'局部'参数（电子分数 f、宇宙射线电离率 ζ、碳丰度 zC）是否显著不同？
• RQ5 未来对消光更小的视线的观测能否帮助区分 f 和 ζ/kₑ 的变化是否为异常现象的根本原因？

主要发现

• 在七个弥漫云视线中明确检测到 H₃⁺：Cygnus OB2 12、Cygnus OB2 5、HD 183143、HD 20041、WR 104、WR 118 和 WR 121。
• 在无 CO、C₂ 或 CN 的云中检测到 H₃⁺，证实 H₃⁺ 化学过程与较重双原子分子的形成路径相互独立。
• 在标准化学模型下，观测到的 H₃⁺ 柱密度暗示路径长度约为 1 kpc，密度约为 3 cm⁻³，这与典型弥漫云的性质不一致。
• 数据表明标准模型存在根本缺陷，因为观测到的 H₃⁺ 丰度无法与已知的电子分数和复合速率相协调。
• 最合理的解释是 ζ/kₑ 比值高于预期，暗示低能宇宙射线电离增强，或星际条件下 H₃⁺ 解离复合速率降低。
• 对另外五个视线（HD 194279、HD 168607、P Cygni、χ² Ori、ζ Oph）获得了 H₃⁺ 的上限，表明 H₃⁺ 并非普遍存在于所有弥漫云中，但其存在广泛分布于特定区域。