[论文解读] The Ratio of Ortho- to Para-H2 in Photodissociation Regions

A. Sternberg, David A. Neufeld|ArXiv.org|Dec 2, 1998

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 35被引用 67

一句话总结

该论文通过表明在紫外激发下，振动激发态中观测到的正氢与间氢分子（H₂）比例（通常约为1.7）并非真实的丰度比，而是由于远紫外（FUV）激发过程中的光学厚度效应导致的抑制，从而解决了光致离解区（PDRs）中长期存在的混淆问题。作者证明，当正确考虑正氢分子激发线的光学厚度效应时，该表观比例与真实的正氢与间氢丰度比3一致——表明温度高于200 K时处于热平衡状态。该结论得到了ISO对S140区域观测结果的支持。

ABSTRACT

We discuss the ratio of ortho- to para-H2 in photodissociation regions (PDRs). We draw attention to an apparent confusion in the literature between the ortho-to-para ratio of molecules in FUV-pumped vibrationally excited states, and the H2 ortho-to-para abundance ratio. These ratios are not the same because the process of FUV-pumping of fluorescent H2 emission in PDRs occurs via optically thick absorption lines. Thus, gas with an equilibrium ratio of ortho- to para-H2 equal to 3 will yield FUV-pumped vibrationally excited ortho-to-para ratios smaller than 3, because the ortho-H2 pumping rates are preferentially reduced by optical depth effects. Indeed, if the ortho and para pumping lines are on the ``square root'' part of the curve-of-growth, then the expected ratio of ortho and para vibrational line strengths is the square root of 3, ~ 1.7, close to the typically observed value. Thus, contrary to what has sometimes been stated in the literature, most previous measurements of the ratio of ortho- to para-H2 in vibrationally excited states are entirely consistent with a total ortho-to-para ratio of 3, the equilibrium value for temperatures greater than 200 K. We present an analysis and several detailed models which illustrate the relationship between the total ratios of ortho- to para-H2 and the vibrationally excited ortho-to-para ratios in PDRs. Recent Infrared Space Observatory (ISO) measurements of pure rotational and vibrational H2 emissions from the PDR in the star-forming region S140 provide strong observational support for our conclusions.

研究动机与目标

• 澄清光致离解区（PDRs）中振动激发态H₂的正氢与间氢比例与真实正氢与间氢丰度比之间的区别。
• 解决文献中长期存在的混淆问题：即观测到的低振动激发态正氢与间氢比例被错误地解释为非平衡态或低温形成过程的证据。
• 证明在FUV激发中，光学厚度效应会优先抑制正氢-H₂跃迁，导致观测比例低于真实值3。
• 利用近期对S140 PDR区域的ISO观测结果验证该模型，表明真实正氢与间氢比例为3。
• 表明当正确考虑光学厚度效应时，Draine & Bertoldi（1996）模型的结果与本研究的解释是一致的。

提出的方法

• 对PDR中FUV激发的理论分析，重点研究H₂吸收线的生长曲线行为及其对正氢与间氢跃迁速率的光学厚度影响。
• 使用生长曲线形式化方法对H₂中的辐射激发进行建模，由于跃迁强度差异，光学厚度效应使正氢-H₂的有效激发速率降低程度高于间氢-H₂。
• 在光学厚度条件下计算预期的振动激发态正氢与间氢谱线强度比，预测当真实比例为3时，该值约为1.7。
• 将模型预测与红外空间天文台（ISO）在S140星形成区获得的H₂谱线强度比进行比较。
• 重新分析现有模型（如Draine & Bertoldi 1996），表明其在低密度和FUV场下观测到的低比例是由于光学厚度抑制所致，而非非玻尔兹曼分布条件。
• 使用生长曲线近似推导在平方根区域条件下预期的正氢与间氢谱线强度比，结果为$3^{1/2} \sim 1.7$。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在PDR中观测到的振动激发态H₂的正氢与间氢比例通常在1.5至2.2之间，尽管在T > 200 K时热平衡下预期比例应为3？
• RQ2 在PDR中，FUV吸收线的光学厚度效应在多大程度上优先抑制正氢-H₂的激发，相较于间氢-H₂？
• RQ3 在假设热平衡的前提下，能否使观测到的低比例与真实的正氢与间氢丰度比3相一致？
• RQ4 近期对S140 PDR区域的ISO观测是否支持光学厚度抑制解释了观测值与预期值之间的差异？
• RQ5 为何以往模型（如Takayanagi et al. 1987）基于观测比例错误地推断出低温形成温度？忽略光学厚度效应如何导致这一错误？

主要发现

• 在PDR中观测到的振动激发态H₂的正氢与间氢比例通常约为1.7，当考虑光学厚度效应时，该值与真实正氢与间氢丰度比3一致。
• 在FUV吸收线中的光学厚度会优先抑制正氢-H₂的激发，导致观测比例低于真实值3。
• 当正氢与间氢的激发线处于生长曲线的‘平方根’区域时，预期的振动激发态谱线强度比为$3^{1/2} \sim 1.7$，与典型观测结果一致。
• 近期对S140 PDR区域的ISO观测显示，正氢与间氢比例从约1.7随靠近中心恒星距离的减小而增加至约3，与从较冷外区的FUV激发向较暖内区的碰撞激发转变的机制一致。
• 尽管Draine & Bertoldi（1996）模型未明确区分该问题，但其结果在正确考虑光学厚度效应后，与本研究的解释一致：在低密度和FUV场下观测到的低比例是由于光学厚度抑制，而非非玻尔兹曼分布条件。
• 在S140区域所有观测位置，真实正氢与间氢丰度比很可能非常接近3，表明在T > 200 K时处于热平衡状态，尽管在振动激发态中观测到的比例较低。