[论文解读] The role of neutral hydrogen in setting the abundances of molecular species in the Milky Way's diffuse interstellar medium. II. Comparison between observations and theoretical models

Daniel R. Rybarczyk, Munan Gong+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 73被引用 9

一句话总结

本研究将银河系弥漫星际介质（ISM）中HCO+与H I的观测结果与光致解离区（PDR）模型及多相ISM模拟进行比较，以评估动力学过程在分子丰度形成中的作用。研究发现，温暖致密结构（Tₛ > 40 K）中高HCO+柱密度（>10¹² cm⁻²）且H I热不稳定的区域，与标准PDR模型不一致，表明非平衡化学过程——可能由湍流耗散或冲击驱动——解释了这些观测结果。

ABSTRACT

We compare observations of HI from the Very Large Array (VLA) and the Arecibo Observatory and observations of HCO$^+$ from the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) and the Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) in the diffuse ($A_V\lesssim1$) interstellar medium (ISM) to predictions from a photodissociation region (PDR) chemical model and multi-phase ISM simulations. Using a coarse grid of PDR models, we estimate the density, FUV radiation field, and cosmic ray ionization rate (CRIR) for each structure identified in HCO$^+$ and HI absorption. These structures fall into two categories. Structures with $T_s<40~\mathrm{K}$, mostly with $N(\mathrm{HCO^+})\lesssim10^{12}~\mathrm{cm^{-2}}$, are consistent with modest density, FUV radiation field, and CRIR models, typical of the diffuse molecular ISM. Structures with spin temperature $T_s>40~\mathrm{K}$, mostly with $N(\mathrm{HCO^+})\gtrsim10^{12}~\mathrm{cm^{-2}}$, are consistent with high density, FUV radiation field, and CRIR models, characteristic of environments close to massive star formation. The latter are also found in directions with a significant fraction of thermally unstable HI. In at least one case, we rule out the PDR model parameters, suggesting that alternative mechanisms (e.g., non-equilibrium processes like turbulent dissipation and/or shocks) are required to explain the observed HCO$^+$ in this direction. Similarly, while our observations and simulations of the turbulent, multi-phase ISM agree that HCO$^+$ formation occurs along sightlines with $N(\mathrm{HI})\gtrsim10^{21}~\mathrm{cm^{-2}}$, the simulated data fail to explain HCO$^+$ column densities $\gtrsim m{few} imes10^{12}~\mathrm{cm^{-2}}$. Since a majority of our sightlines with HCO$^+$ had such high column densities, this likely indicates that non-equilibrium chemistry is important for these lines of sight.

研究动机与目标

• 诊断导致弥漫ISM中高HCO+柱密度（超过标准紫外主导PDR模型预测值）的物理条件。
• 检验Gong等人（2017年）的PDR化学模型是否能利用H I观测获得的环境约束重现观测到的HCO+柱密度。
• 识别非平衡化学（如湍流耗散、冲击）可能需要解释HCO+丰度的条件。
• 将模拟的湍流多相ISM数据与观测结果进行比较，评估动力学过程在HCO+形成中的作用。
• 确定H I自旋温度与热不稳定性H I分数是否可作为ISM中非平衡化学的诊断指标。

提出的方法

• 利用VLA和Arecibo的21-SPONGE巡天获得的H I吸收与发射数据，推导自旋温度（Tₛ）、柱密度（N(H I)）及热不稳定性H I分数。
• 将ALMA与NOEMA获得的HCO+吸收数据与H I数据结合，识别吸收结构并测量N(HCO+)。
• 应用粗网格PDR模型（Gong等，2017年）估算每种结构所需的气体密度（n）、远紫外辐射场（G′）及宇宙射线电离率（ξ/ξ₀）。
• 将PDR模型估算值与FUV场和CRIR的观测约束进行比较，评估模型一致性。
• 利用多相ISM模拟（Gong等，2020年）检验湍流非平衡化学是否能重现观测到的HCO+柱密度。
• 分析多种元素（如C2H、HCN、OH）的轮廓与柱密度比值，以探测非平衡化学过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何弥漫ISM中HCO+柱密度常比标准PDR模型预测高出一到两个数量级？
• RQ2 H I自旋温度与热不稳定性H I分数是否与高HCO+柱密度及模型不一致性相关？
• RQ3 通过调整密度、FUV场与CRIR的PDR模型能否重现具有不同H I特性的结构中的观测HCO+丰度？
• RQ4 包含湍流耗散的多相ISM模拟在多大程度上能重现观测到的HCO+柱密度？
• RQ5 是否存在光谱特征（如宽成分、物种比值）可区分PDR主导与非平衡化学（如TDR）过程？

主要发现

• Tₛ > 40 K且N(HCO+) ≳10¹² cm⁻²的结构需要高密度（n ∼10³–10⁴ cm⁻³）、高FUV（G′ ≳1）及高CRIR（ξ/ξ₀ ≳1）的PDR模型，此类条件典型存在于大质量恒星形成区附近。
• Tₛ ≤ 40 K且N(HCO+) ≲10¹² cm⁻²的较冷结构与低密度（n ∼10²–10³ cm⁻³）、低FUV（G′ ≲1）及低CRIR（ξ/ξ₀ ≲1）的PDR模型一致，符合弥漫分子ISM的特征。
• 在至少一个案例（3C78）中，PDR模型估算值（n ∼10⁴ cm⁻³，G′ ∼10）与观测结果冲突——未检测到C2H/HCN/HNC，且无附近大质量恒星——表明需引入非平衡化学过程。
• 模拟的湍流多相ISM（Gong等，2020年）能正确预测总H柱密度∼10²¹ cm⁻²时的HCO+形成，但无法重现N(HCO+) ≳few ×10¹² cm⁻²的柱密度。
• 九条视线中六条检测到HCO+吸收的视线具有N(HCO+) ≳few ×10¹² cm⁻²，表明非平衡化学在这些视线中广泛存在。
• 在2.3 km s⁻¹处高HCO+组分中未检测到OH吸收，而C2H与HCN被检测到，暗示HCO+与C2H相对OH增强——与非平衡化学的TDR预测一致。