[论文解读] Revisiting the effect of H2, HD and LiH molecules in the cooling of primordial gas

Joaquín Prieto, L. Infante+1 more|ArXiv.org|Sep 16, 2008

Quantum, superfluid, helium dynamics参考文献 2被引用 6

一句话总结

本研究使用非平衡化学网络重新评估了原初气体中 H₂、HD 和 LiH 分子的冷却效率。结果表明，在高密度（>100 cm⁻³）条件下，HD 占主导地位，当 HD 的丰度超过 10⁻⁶n_H 时，可使温度降低至 100 K 以下；而由于 LiH 丰度极低，其冷却影响可忽略不计。

ABSTRACT

We use a non-equilibrium chemical network to revisit and study the effect of H_{2}, HD and LiH molecular cooling on a primordial element of gas. We solve both the thermal and chemical equations for a gas element with an initial temperature T\approx 1000K and a gas number density in the range n_{tot}=1-10^{4} cm^{-3}. At low densities, n_{tot}<10^{2} cm^{-3}, the gas reaches temperatures \sim 100K and the main coolant is H_{2}, but at higher densities, n_{tot}>10^{2} cm^{-3}, the HD molecule dominates the gas temperature evolution. The effect of LiH is negligible in all cases. We studied the effect of D abundance on the gas cooling. The D abundance was set initially to be in the range n_{D}/n_{H}=10^{-7}-10^{-4.5}, with n_{HD}/n_{H}={D^{+}}/n_{H}=10^{-10}. The simulations show that at n_{tot}>10^{2} cm^{-3} the HD cooling dominates the temperature evolution for D abundances greater than 10^{-5}n_{H}. This number decrease at higher densities. Furthermore, we studied the effect of electrons and ionized particules on the gas temperature. We followed the gas temperature evolution with n_{H_{+}}/n_{H}=10^{-4}-10^{-1} and n_{D^{+}}/n_{H^{+}}=10^{-5}. The gas temperature reached lower values at high ionization degree because electrons, H^{+} and D^{+} are catalizers in the formation paths of the H_{2} and HD molecules, which are the main coolers at low temperatures. Finaly, we studied the effect of an OB star, with T_{eff}=4 imes 10^{4}K, would have on gas cooling. It is very difficult for a gas with n_{tot} in the range between 1-100 cm^{-3} to drop its temperature if the star is at a distance less than 100 pc.

研究动机与目标

• 重新评估 H₂、HD 和 LiH 在早期恒星形成过程中对原初气体冷却作用的影响。
• 研究 HD 丰度变化对不同密度下冷却效率的影响。
• 评估电离物种（电子、H⁺、D⁺）对 H₂ 和 HD 形成及其后续冷却的影响。
• 模拟外部 OB 恒星对低密度环境中气体冷却的影响。
• 确定原初暗物质晕中气体能够充分冷却以形成恒星的临界条件。

提出的方法

• 求解单个气体微元的热力学与化学演化方程，初始温度 T = 1000 K，总密度 n_tot = 1–1000 cm⁻³。
• 采用非平衡化学网络追踪 H₂、HD、LiH 及关键离子（H⁺、D⁺、H₂⁺、H⁻）的生成与损耗。
• 引入碰撞激发冷却机制，针对 H₂、HD 和 LiH，冷却速率基于量子力学跃迁数据。
• 模拟来自外部 OB 恒星（T_eff = 4×10⁴ K）的光离化与加热作用，考虑不同距离的影响。
• 包含电子及离子催化对 H₂ 和 HD 形成路径的影响。
• 采用文献中的反应速率系数计算冷却函数（例如，Galli & Palla 1998，Stancil et. al. 1996）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 n_tot > 100 cm⁻³ 条件下，HD 丰度如何影响冷却效率？
• RQ2 在高密度原初气体中，HD 冷却何时会超过 H₂ 冷却成为主导？
• RQ3 电离物种（e⁻、H⁺、D⁺）对 H₂ 和 HD 的形成及其后续冷却有何影响？
• RQ4 外部 OB 恒星如何影响低密度原初气体（n_tot = 1–100 cm⁻³）的冷却过程？
• RQ5 尽管具有有利的辐射跃迁特性，LiH 在原初环境中是否仍为有效冷却剂？

主要发现

• 当 n_tot < 100 cm⁻³ 时，H₂ 主导冷却，气体温度可降至约 100 K。
• 当 n_tot > 100 cm⁻³ 时，HD 冷却成为主导，使气体温度显著低于 100 K。
• 当 n_HD / n_H > 10⁻⁶ 时，HD 冷却占主导地位，且在更高密度下该阈值进一步降低。
• 电子及 H⁺/D⁺ 离子可促进 H₂ 和 HD 的形成，导致电离度越高，最终气体温度越低。
• 当外部 OB 恒星距离小于 100 pc 时，其光致加热作用会阻止 n_tot = 1–100 cm⁻³ 气体的冷却。
• 尽管 LiH 具有有利的辐射跃迁性质，但因其在原初环境中的丰度极低，冷却效应可忽略不计。