[论文解读] The IRAM-30m line survey of the Horsehead PDR: I. CF+ as a tracer of C+ and a measure of the Fluorine abundance

Viviana V. Guzmán, J. Pety+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 23被引用 22

一句话总结

本文提出CF⁺作为光致解离区（PDRs）中C⁺的地面观测代理，利用其可观测性及与氟元素丰度的直接正比关系。基于对猎户座马头PDR的高灵敏度IRAM-30m观测，作者推导出气相氟元素丰度为F/H = (0.6–1.5) × 10⁻⁸，证实CF⁺是C⁺主导层的稳健示踪剂，并验证其在高分辨率地面观测中对星际C⁺发射研究的适用性。

ABSTRACT

C+ is a key species in the interstellar medium but its 158 μm fine structure line cannot be observed from ground-based telescopes. Current models of fluorine chemistry predict that CF+ is the second most important fluorine reservoir, in regions where C+ is abundant. We detected the J = 1-0 and J = 2-1 rotational lines of CF+ with high signal-to-noise ratio towards the PDR and dense core positions in the Horsehead. Using a rotational diagram analysis, we derive a column density of N(CF+) = (1.5 - 2.0) imes 10^12 cm^-2. Because of the simple fluorine chemistry, the CF+ column density is proportional to the fluorine abundance. We thus infer the fluorine gas-phase abundance to be F/H = (0.6 - 1.5) imes 10^-8. Photochemical models indicate that CF+ is found in the layers where C+ is abundant. The emission arises in the UV illuminated skin of the nebula, tracing the outermost cloud layers. Indeed, CF+ and C+ are the only species observed to date in the Horsehead with a double peaked line profile caused by kinematics. We therefore propose that CF+, which is detectable from the ground, can be used as a proxy of the C+ layers.

研究动机与目标

• 识别一种可在地面观测的C⁺示踪剂，因为C⁺由于大气不透明性在地球无法直接探测。
• 利用CF⁺作为直接丰度代理，测量马头PDR中气相氟元素丰度。
• 检验CF⁺是否示踪与C⁺本身相同的紫外照射、富含C⁺的区域。
• 验证CF⁺作为星际云外层电离层的高分辨率、动力学分辨示踪剂的适用性。

提出的方法

• 使用IRAM-30m望远镜对CF⁺的J=1-0和J=2-1转动能级进行深度、高光谱分辨率观测。
• 对检测到的谱线进行转动图分析，以推导CF⁺的柱密度。
• 采用仅含气相反应及表面颗粒过程的化学网络，模拟马头PDR中的氟化学。
• 将模型预测的CF⁺、HF和C⁺丰度分布与观测数据进行比较，以验证化学模型。
• 评估CF⁺发射的空间与运动学结构，以将其与远紫外照射的PDR层关联。
• 基于CF⁺是第二重要的氟储存库这一假设，利用观测到的CF⁺柱密度推断氟元素的元素丰度。

实验结果

研究问题

• RQ1 CF⁺能否作为星际PDR中C⁺的可靠地面代理？
• RQ2 基于CF⁺观测，马头PDR中的气相氟元素丰度是多少？
• RQ3 CF⁺主要在云结构的哪个区域（以消光A_V和辐射场为指标）形成并被探测到？
• RQ4 CF⁺与C⁺的运动学轮廓如何比较，这对其空间共位性有何含义？
• RQ5 观测到的CF⁺发射在多大程度上示踪了与C⁺相同的紫外照射、电离层？

主要发现

• 在马头星云的PDR和致密核区域，均以高信噪比检测到CF⁺的J=1-0和J=2-1谱线。
• 基于转动图分析，推导出CF⁺的柱密度为N(CF⁺) = (1.5–2.0) × 10¹² cm⁻²。
• 推断气相氟元素丰度为F/H = (0.6–1.5) × 10⁻⁸，其中CF⁺占总氟元素的4–8%。
• 模型预测CF⁺与C⁺在外层、紫外照射的区域（A_V < 4）存在强烈的时空与化学重叠。
• CF⁺的双峰线轮廓与C⁺一致，表明两者均示踪PDR中动力学上分离的气体，可能由喷流或激波运动引起。
• CF⁺发射主要位于星云受照边缘，证实其作为C⁺主导、远紫外照射的表面层示踪剂的作用。