[论文解读] Self-generated ultraviolet radiation in molecular shock waves I. Effects of Lyman $\alpha$, Lyman $\beta$, and two-photon continuum

A. Lehmann, B. Godard+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2020

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 53被引用 3

一句话总结

本论文采用迭代多级加速Λ-迭代算法，对中等速度（25–60 km/s）、J型分子激波中的莱曼α、莱曼β及双光子连续谱发射进行了自洽的辐射转移处理。结果表明，速度大于30 km/s的激波产生的莱曼α光子通量超过标准星际辐射场（ISRF），将辐射前导区加热至约100 K，并将高达21%的激波特能重新转化为紫外辐射，从而驱动强烈的原子精细结构线和亚稳态线发射。

ABSTRACT

Shocks are ubiquitous in the interstellar and intergalactic media, where their chemical and radiative signatures reveal the physical conditions in which they arise. Detailed astrochemical models of shocks at all velocities are necessary to understand the physics of many environments including protostellar outflows, supernova remnants, and galactic outflows. We present an accurate treatment of the self-generated UV radiation in intermediate velocity, stationary, weakly magnetised, J-type, molecular shocks. Shock solutions computed with the Paris-Durham shock code are post-processed using a multi-level accelerated $\Lambda$-iteration radiative transfer algorithm to compute Ly$\alpha$, Ly$\beta$, and 2-photon continuum emission. The subsequent impacts on the ionisation and dissociation of key atomic and molecular species as well as on the heating by the photoelectric effect take the wavelength dependent cross-sections and the fluid velocity profile into account. We analyse shock models with velocities $V=25-60$ km/s, propagating in dense ($n \geq 10^4$ ${ m cm}^{-3}$), shielded gas. Self-absorption traps Ly$\alpha$ photons in a small region in the shock, though a large fraction escapes into the line wings. We find a critical velocity $V\sim 30$ km/s above which shocks produce a Ly$\alpha$ photon flux exceeding that of the standard ISRF. The escaping photons generate a warm slab (T~100 K) ahead of the shock as well as pre-ionise C and S. These shocks are traced by bright atomic fine structure (e.g. O and S) and metastable (e.g. O and C) lines, substantive molecular emission (e.g. H2, OH, and CO), enhanced column densities of several species (e.g. CH+ and HCO+), as well as a severe destruction of H2O. As much as 13-21% of the initial kinetic energy of the shock escapes in Ly$\alpha$ and Ly$\beta$ photons if the dust opacity in the radiative precursor allows it.

研究动机与目标

• 准确模拟中等速度分子激波中的自生紫外辐射，特别是来自莱曼α、莱曼β及双光子连续谱发射的辐射。
• 量化这种自生紫外辐射对激波热化学结构的影响，包括电离、离解以及光致电离效应引起的加热。
• 评估逃逸紫外光子在形成温暖辐射前导区及增强激波气体可观测线发射中的作用。
• 通过引入自照射效应改进激波模型，从而更准确地解释原恒星喷流、超新星遗迹及星系外流的观测结果。

提出的方法

• 采用迭代多级加速Λ-迭代辐射转移算法，计算激波加热气体产生的莱曼α、莱曼β及双光子连续谱发射。
• 利用巴黎-杜伦激波代码获得的激波解，结合波长相关的相互作用截面和流体速度分布，计算光子传播与能量沉积。
• 该方法考虑了莱曼α光子的自吸收与散射，特别是线翼区域，以确定逃逸分数与辐射场强度。
• 通过计算辐射前导区的有效辐射场参数Geff，量化逃逸紫外光子对气体加热与电离的影响。
• 通过耦合非局部热动平衡激发与反应网络，计算后激波区与前导区的化学与热演化。
• 分析了速度范围25至60 km/s、密度≥10⁴ cm⁻³的激波模型网格，评估紫外辐射与能量再处理对激波速度的依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在中等速度分子激波中，初始动能有多少被重新处理为莱曼α与莱曼β发射？
• RQ2 莱曼α光子的逃逸分数是多少？自吸收如何影响其在辐射前导区的传播与能量沉积？
• RQ3 自生紫外辐射在多大程度上加热了激波前的气体？辐射前导区的温度结构如何？
• RQ4 与非照射模型相比，自照射激波如何影响CH⁺、HCO⁺、CO和H₂O等关键物种的柱密度？
• RQ5 在35–60 km/s速度范围内的激波中，自生紫外辐射是否足以解释原子精细结构线与亚稳态线的观测强度？

主要发现

• 速度高于约30 km/s的激波产生的莱曼α光子通量超过标准星际辐射场（ISRF），逃逸紫外辐射将辐射前导区加热至约100 K。
• 在35至60 km/s的速度范围内，有效辐射场参数Geff达到10至400之间，表明仅氢的谱线与连续谱发射所携带的光子数可达整个ISRF的400倍。
• 在40–60 km/s速度范围内的激波中，初始动能通量的13–21%被重新处理为莱曼α与莱曼β发射，此速度区间贡献最大。
• 由逃逸紫外光子形成的辐射前导区延伸约10¹⁷ cm，表现出显著增强的电离与预热，极大地改变了激波前缘的化学与热结构。
• 原子精细结构线（如O(63.2 µm)、S(25.2 µm)）与亚稳态线（如O(6300 Å)、C(9850 Å)）在自照射激波中被增强多个数量级，使其成为中等速度激波的强示踪指标。
• 该模型预测了詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）可探测到的强转动-振动H₂发射线，凸显了自照射效应在解释未来JWST对激波分子喷流观测中的重要性。