[论文解读] Small PAHs in the Red Rectangle

U. Vijh, Adolf N. Witt+1 more|CERN Bulletin|Oct 5, 2004

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 45

一句话总结

该论文通过蓝光发射（BL）与3.3 μm PAH发射的空间相关性，确定质量小于250 a.m.u.的微小中性多环芳烃（PAH）是红矩形星云中蓝光发射（BL）的来源，并推导出HD 44179的独特的原行星紫外/光学消光曲线，该曲线证实了PAH吸收特征，并暗示其相对于氢的PAH丰度约为10⁻⁵。

ABSTRACT

Following our initial discovery of blue luminescence in the spectrum of the Red Rectangle (RR) and its identification as fluorescence by small three- to four-ringed polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) molecules, we report on the spatial correlation between the blue luminescence and the 3.3 micron emission, commonly attributed to small, neutral PAH molecules, and on the newly-derived UV/optical attenuation curve for the central source of the RR, HD 44179. Both results provide strong additional evidence for the presence of small PAH molecules with masses of less than 250 a.m.u. in the RR, which supports the attribution of the blue luminescence to fluorescence by the same molecules. We contrast the excellent spatial correlation of the two former emissions with the distinctly different spatial distribution of the extended red emission (ERE) and of the dust-scattered light within the RR. The UV/optical attenuation curve of the central star is unlike any interstellar extinction curve and is interpreted as resulting from circumstellar opacity alone. Major contributions to this opacity are absorptions in broad bands in the mid-UV, contributing to the electronic excitation of the luminescing PAH molecules, and a sharp ionization discontinuity near 7.5 eV in the far-UV, which places a sharp upper limit on the masses of the PAH molecules that are responsible for this absorption. The strength of the far-UV absorption leads to an abundance of the PAH molecules of 10^{-5} relative to hydrogen in the RR. Such small PAHs are perhaps unique to the environment in the RR, where they are shielded from harsh radiation by the dense circmstellar disk.

研究动机与目标

• 确定红矩形星云中蓝光发射（BL）的起源，其峰值波长为378 nm，半高全宽（FWHM）约为45 nm。
• 研究BL的空间分布，并与其它星云发射（包括散射光和扩展红发射，ERE）进行比较。
• 推导并解释中心恒星HD 44179的紫外/光学消光曲线，区分原行星与星际消光。
• 评估红矩形中微小PAH分子的丰度和物理条件，特别是其在局部辐射环境中的生存能力。

提出的方法

• 使用CTIO 1.5 m望远镜，通过2.5''宽缝和覆盖340–600 nm及500–1000 nm波段的两块光栅，获取红矩形的低分辨率长缝光谱。
• 采用日冕式波长选择器抑制直接星光，隔离星云发射，从而准确测量散射光和BL的强度。
• 通过从该波长处总观测流量中减去波长校正后的散射光（来自397 nm），测量357 nm处BL的强度。
• 将星云光谱与档案IUE数据结合，构建HD 44179的紫外/光学消光曲线，重点关注远紫外上升段和中紫外吸收特征。
• 将消光曲线建模为微小PAH分子中电子跃迁的结果，特别是束缚-束缚和束缚-自由跃迁，并与实验室和理论数据进行比较。
• 通过拟合约7.5 eV处的远紫外不连续性（λ⁻¹ ≈ 6.0 μm⁻¹），估算PAH相对于氢的丰度，结果约为10⁻⁵。

实验结果

研究问题

• RQ1 在红矩形中，蓝光发射（BL）与其他星云发射（如散射光和扩展红发射，ERE）之间存在何种空间关系？
• RQ2 归因于中性PAH的3.3 μm发射是否与BL在空间上相关联，这是否支持两者的共同起源？
• RQ3 HD 44179的异常紫外/光学消光曲线由何引起，是星际还是原行星物质所致？
• RQ4 消光曲线中的远紫外上升是否可由微小PAH分子的电离解释，这对其丰度和质量有何含义？
• RQ5 尽管存在强烈的宇宙红外发射（UIR）辐射，为何BL在典型恒星形成区未被观测到，这表明PAH在强烈辐射场中的生存能力如何？

主要发现

• 红矩形中蓝光发射（BL）的空间分布与3.3 μm发射高度相关，后者归因于微小中性PAH分子中C–H伸缩振动，强烈支持BL源自相同分子的荧光。
• HD 44179的紫外/光学消光曲线具有R_V = 11.9，缺乏217.5 nm的星际吸收峰，且在λ⁻¹ ≈ 6.0 μm⁻¹附近出现远紫外的急剧上升，表明其起源于原行星物质而非星际消光。
• 远紫外上升在定量上与质量小于250 a.m.u.的微小PAH分子的光致电离一致，推断其相对氢的丰度约为10⁻⁵。
• 消光曲线中的宽中紫外吸收驼峰可由中性PAH的四个特征中紫外吸收带的叠加良好解释，这些吸收带同样产生观测到的荧光（BL）。
• 由于强烈辐射场会破坏微小PAH，BL在典型恒星形成区中不可见，这证实了其在红矩形屏蔽环境中独特的生存能力。
• 推导出的消光曲线主要由微小PAH的电子跃迁引起的原行星消光主导，而非星际尘埃，且与所有已知的银河系消光曲线均不同。