[论文解读] The chemistry of ions in the Orion Bar I. - CH+, SH+, and CF+: The effect of high electron density and vibrationally excited H2 in a warm PDR surface

Z. Nagy, F. van der Tak+9 more|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|Dec 18, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 59被引用 58

一句话总结

本研究利用赫歇尔空间望远镜的数据，研究猎户座bar中CH⁺、SH⁺和CF⁺的形成与激发机制，该区域为温暖的光子主导区（PDR）。研究结果表明，振动激发的H₂分子提供了克服CH⁺和SH⁺形成高活化能垒所需的能量；CH⁺因反应活性高，可追踪更广、更稀薄的区域，而SH⁺则指示更致密、更热平衡的气体。CF⁺的5-4跃迁被探测到，证实其在紫外辐射PDR的表面层中具有示踪作用。

ABSTRACT

The abundances of interstellar CH+ and SH+ are not well understood as their most likely formation channels are highly endothermic. Using data from Herschel, we study the formation of CH+ and SH+ in a typical high UV-illumination photon-dominated region (PDR), the Orion Bar. Herschel/HIFI provides velocity-resolved data of CH+ 1-0 and 2-1 and three hyperfine transitions of SH+. Herschel/PACS provides information on the excitation and spatial distribution of CH+ (up to J=6-5). The widths of the CH+ 2-1 and 1-0 transitions are of ~5 km/s, significantly broader than the typical width of dense gas tracers in the Orion Bar (2-3 km/s) and are comparable to the width of tracers of the interclump medium such as C+ and HF. The detected SH+ transitions are narrower compared to CH+ and have line widths of 3 km/s, indicating that SH+ emission mainly originates in denser condensations. Non-LTE radiative transfer models show that electron collisions affect the excitation of CH+ and SH+, and that reactive collisions need to be taken into account to calculate the excitation of CH+. Comparison to PDR models shows that CH+ and SH+ are tracers of the warm surface region (AV<1.5) of the PDR with temperatures between 500-1000 K. We have also detected the 5-4 transition of CF+ (FWHM=1.9 km/s) with an intensity that is consistent with previous observations of lower-J CF+ transitions toward the Orion Bar. A comparison to PDR models indicate that the internal vibrational energy of H2 can explain the formation of CH+ for typical physical conditions in the Orion Bar near the ionization front. H2 vibrational excitation is the most likely explanation of SH+ formation as well. The abundance ratios of CH+ and SH+ trace the destruction paths of these ions, and through that, indirectly, the ratios of H, H2 and electron abundances as a function of depth into the cloud.

研究动机与目标

• 理解在高紫外辐射、温暖PDR环境中CH⁺和SH⁺的化学形成路径，其丰度显著高于标准化学模型的预测。
• 研究振动激发H₂和高电子密度在克服CH⁺和SH⁺形成高活化能垒中的作用。
• 利用赫歇尔的高分辨率谱线轮廓，确定猎户座bar中CH⁺、SH⁺和CF⁺的激发条件与空间分布。
• 检验反应碰撞与电子撞击激发是否对准确模拟这些离子的观测谱线强度至关重要。
• 将CF⁺的观测转动能级延伸至5-4跃迁，并确认其与PDR模型预测的一致性。

提出的方法

• 利用赫歇尔HIFI仪器的多普勒速度分辨谱线轮廓，分析CH⁺（1-0，2-1）和SH⁺（三个超精细跃迁）的激发与运动学特性。
• 通过PACS数据将CH⁺的探测扩展至J=6-5跃迁，实现对温暖PDR表面更广泛的激发诊断。
• 应用包含电子碰撞和反应碰撞（如H₂ + CH⁺）的非局部热动平衡（non-LTE）辐射转移模型，以重现观测到的谱线强度。
• 将观测到的谱线强度与宽度与不同物理条件（密度、温度、辐射场）下PDR模型的预测进行比较。
• 使用解析近似与数值PDR建模，评估H₂振动激发对离子形成速率的贡献。
• 通过比较CF⁺ 5-4跃迁的强度与低J跃迁的强度，评估其与PDR模型预测的一致性，以确认其作为表面层示踪剂的角色。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高紫外辐射、温暖的猎户座bar PDR中，CH⁺和SH⁺的形成反应为吸热反应，其主要形成机制是什么？
• RQ2 振动激发的H₂分子与高电子密度如何影响CH⁺和SH⁺的激发与丰度？
• RQ3 为何CH⁺谱线的线宽更宽（~5 km s⁻¹），而SH⁺谱线更窄（~3 km s⁻¹）？这对其形成区域与热平衡状态有何启示？
• RQ4 反应碰撞与电子撞击激发在多大程度上影响CH⁺和SH⁺的观测谱线强度？
• RQ5 CF⁺的5-4跃迁能否可靠探测，并可否作为紫外辐射PDR表面层的稳定示踪剂？

主要发现

• CH⁺被探测至J=6-5跃迁，其2-1与1-0谱线表现出约5 km s⁻¹的宽线宽，显著宽于典型致密气体示踪剂（~2–3 km s⁻¹）。
• SH⁺跃迁的线宽较窄（~3 km s⁻¹），表明其发射源于更致密、更热平衡的凝聚区域，与CH⁺相比具有不同的空间分布特征。
• 非局部热动平衡辐射转移模型表明，电子碰撞与反应碰撞（如H₂ + CH⁺）对准确模拟CH⁺激发至关重要。
• PDR模型对比结果确认，CH⁺形成于温暖的表面区域（A_V < 1.5，T ~ 500–1000 K），具有高压力（~10⁸ cm⁻³ K），与H₂振动激发作为主要形成机制一致。
• CF⁺的5-4跃迁被探测到，线宽约为1.9 km s⁻¹，与致密气体示踪剂一致，其谱线强度与低J跃迁的预测相符。
• SH⁺也极有可能通过H₂振动激发形成，其丰度同样示踪PDR的温暖表面区域，与CH⁺类似，但具有不同的激发与空间分布特性。