[论文解读] The first CO+ image: Probing the HI/H2 layer around the ultracompact HII region Mon R2

S. P. Treviño-Morales, A. Fuente+13 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2016

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 28被引用 5

一句话总结

本研究首次获得了Mon R2超紧凑HII区的CO+ (J=2–1)空间分辨图像，揭示了呈团块状、环状分布的发射特征，追踪了致密、紫外辐射照射的光致离解区（PDR）中H I/H2界面的结构。CO+发射与[C II]和PAHs在空间上一致，证实其起源于PDR边界处一个狭窄而致密的层状区域，其相对丰度为0.1–1.9×10⁻¹⁰，与化学模型预测的在高紫外通量和高密度条件下形成CO+的结果一致。

ABSTRACT

The CO+ reactive ion is thought to be a tracer of the boundary between a HII region and the hot molecular gas. In this study, we present the spatial distribution of the CO+ rotational emission toward the Mon R2 star-forming region. The CO+ emission presents a clumpy ring-like morphology, arising from a narrow dense layer around the HII region. We compare the CO+ distribution with other species present in photon-dominated regions (PDR), such as [CII] 158 mm, H2 S(3) rotational line at 9.3 mm, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and HCO+. We find that the CO+ emission is spatially coincident with the PAHs and [CII] emission. This confirms that the CO+ emission arises from a narrow dense layer of the HI/H2 interface. We have determined the CO+ fractional abundance, relative to C+ toward three positions. The abundances range from 0.1 to 1.9x10^(-10) and are in good agreement with previous chemical model, which predicts that the production of CO+ in PDRs only occurs in dense regions with high UV fields. The CO+ linewidth is larger than those found in molecular gas tracers, and their central velocity are blue-shifted with respect to the molecular gas velocity. We interpret this as a hint that the CO+ is probing photo-evaporating clump surfaces.

研究动机与目标

• 绘制Mon R2星形成区中CO+发射的空间分布，该区域是研究致密、紫外辐射照射的PDR中H I/H2界面的关键场所。
• 确定CO+是否如化学模型所预测的那样，追踪了超紧凑HII区与分子气体之间的边界。
• 通过将观测丰度与理论预测进行比较，研究CO+生成所需的物理条件（密度、紫外场）。
• 探讨CO+的运动学特性，并与分子气体示踪剂进行比较，以推断光致蒸发等动力学过程。

提出的方法

• 利用IRAM-30m望远镜在236.0625 GHz观测了CO+ (J=2–1)跃迁， beam尺寸为11″，信噪比足够用于成像。
• 使用CLASS/GILDAS软件包进行数据还原，并进一步将图像平滑至16″分辨率，以提高信噪比并便于与其他示踪剂进行空间比较。
• 将CO+发射图与多波段数据进行空间比较：[Ne II]（HII区）、H2 S(3)（PDR）、PAHs（11.3 μm）、[C II]（158 μm）以及来自Spitzer、Herschel和先前研究的H13CO+（分子气体）。
• 在三个位置（IF和MP2）通过CO+亮度温度与C+发射的比值，假设局部热动平衡，推导出CO+的相对丰度。
• 通过比较CO+谱线轮廓与HCO+和H13CO+的谱线轮廓，分析其运动学特性，重点关注速度偏移和线宽，以推断外流或蒸发的迹象。
• 利用化学模型预测解释CO+丰度，特别是其对H密度（nH）和紫外场（G₀）的依赖关系，以验证观测到的丰度。

实验结果

研究问题

• RQ1 CO+发射是否如化学模型所预测的那样，追踪了Mon R2 PDR中的H I/H2界面？
• RQ2 CO+的空间分布与[C II]、PAHs和H2线等其他PDR示踪剂相比如何？
• RQ3 Mon R2不同区域的CO+相对丰度是多少？是否与基于紫外场和密度的理论预测一致？
• RQ4 CO+谱线轮廓是否相对于分子气体示踪剂呈现蓝移？这对其气体运动学有何含义？
• RQ5 CO+发射是否与PDR表面致密团块的光致蒸发一致？

主要发现

• CO+发射呈现出以超紧凑HII区为中心的团块状、环状形态，与[C II]和PAHs在空间上一致，证实其起源于H I/H2界面处一个狭窄而致密的层状区域。
• 在三个位置测得的CO+相对丰度范围为0.1至1.9×10⁻¹⁰，与化学模型预测高度一致，该模型预测CO+仅在高密度（nH ≥ 2×10⁴ cm⁻³）和高紫外场（G₀ ≥ 10³）区域形成。
• CO+的线宽比标准分子气体示踪剂（如HCO+和H13CO+）更宽，表明存在增强的湍流或外流运动。
• CO+的系统速度相对于分子气体明显蓝移，表明CO+追踪的是朝向观测者运动的气体，与致密团块表面的光致蒸发一致。
• 在MP2位置未检测到CO+（上限<4×10⁻¹¹），而在IF位置检测到CO+（丰度~10⁻¹¹），支持CO+生成需要高紫外通量和高密度的条件。
• 空间形态与运动学偏移共同表明，该PDR并非光滑层状结构，而是由碎片化、致密的团块组成，正在经历光致蒸发，而CO+则追踪了被照亮并正在蒸发的表面。