[论文解读] The Structure of the Local Interstellar Medium V: Electron Densities

Seth Redfield, Ross E. Falcon|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2008

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 152

一句话总结

本研究利用哈勃空间望远镜的高分辨率紫外光谱，对距离100 pc以内的13颗邻近恒星的C II∗和C II吸收线进行观测，测量了局部星际介质（LISM）中的电子密度。通过采用S II柱密度作为饱和C II线的代理，提高了电子密度估计的准确性，得出平均电子密度为 $n_e = 0.11^{+0.10}_{-0.05}$ cm⁻³，并揭示了与LISM热压 $P/k = 3300^{+5500}_{-1900}$ K cm⁻³ 一致的对数正态分布。

ABSTRACT

We present a comprehensive survey of CII* absorption detections toward stars within 100 pc in order to measure the distribution of electron densities present in the local interstellar medium (LISM). Using high spectral resolution observations of nearby stars obtained by GHRS and STIS onboard the Hubble Space Telescope, we identify 13 sight lines with 23 individual CII* absorption components, which provide electron density measurements, the vast majority of which are new. We employ several strategies to determine more accurate CII column densities from the saturated CII resonance line, including, constraints of the line width from the optically thin CII* line, constraints from independent temperature measurements of the LISM gas based on line widths of other ions, and third, using measured SII column densities as a proxy for CII column densities. The sample of electron densities appears consistent with a log-normal distribution and an unweighted mean value of n_e(CII_SII) = 0.11^+0.10_-0.05 cm^-3. Seven individual sight lines probe the Local Interstellar Cloud (LIC), and all present a similar value for the electron density, with a weighted mean of n_e(LIC) = 0.12 +/- 0.04 cm^-3. The Hyades Cloud, a decelerated cloud at the leading edge of the platoon of LISM clouds, has a significantly higher electron density than the LIC. Observed toward G191-B2B, the high electron density may be caused by the lack of shielding from such a strong radiation source. Given some simple assumptions, the range of observed electron densities translates into a range of thermal pressures, P/k = 3300^+5500_-1900 K cm^-3. This work greatly expands the number of electron density measurements and provides important constraints on the ionization, abundance, and evolutionary models of the local interstellar medium. (abridged)

研究动机与目标

• 利用高分辨率紫外吸收线测量局部星际介质（LISM）中的电子密度。
• 解决由于C II共振线饱和而导致C II柱密度高估的问题。
• 通过使用S II柱密度作为C II的代理，提高电子密度测定的准确性。
• 约束LISM的电离结构、热压和云团动力学，特别是局部星际云（LIC）的特性。
• 评估附近电离源对LISM云团中电子密度和电离水平的影响。

提出的方法

• 利用哈勃空间望远镜的GHRS和STIS仪器，对距离100 pc以内的417颗邻近恒星获取高分辨率紫外光谱。
• 搜索C II∗吸收成分，以识别对电子密度敏感的跃迁。
• 采用三种策略提高C II柱密度估计的准确性：联合拟合C II∗和C II线、利用其他离子线宽获得温度约束，以及使用S II作为C II的代理。
• 基于离子平衡假设和已知原子物理参数，利用C II∗/C II比值推断电子密度。
• 根据运动学和空间标准，将速度成分分配给特定的LISM云团。
• 假设先前研究中的典型温度，利用 $P/k = n_e T$ 估算热压。

实验结果

研究问题

• RQ1 从C II∗和C II吸收线推断，局部星际介质中的电子密度分布如何？
• RQ2 当C II共振线饱和时，如何准确测量电子密度？
• RQ3 局部星际云（LIC）的电子密度是多少？与其他LISM云团相比有何不同？
• RQ4 LISM的电离结构是否主要受单一强紫外源（如ε CMa）主导？
• RQ5 温暖LISM云团中的热压范围是多少？与先前估计相比如何？

主要发现

• 本研究在13条视线中识别出23个独立的C II∗吸收成分，其中大多数为新发现。
• 使用S II作为C II的代理显著提高了准确性，并与仅基于碳元素的分析相比，使电子密度分布更加集中。
• 电子密度分布与对数正态分布一致，未加权平均值为 $n_e = 0.11^{+0.10}_{-0.05}$ cm⁻³。
• 基于七条独立视线，局部星际云（LIC）的加权平均电子密度为 $n_e = 0.12 \pm 0.04$ cm⁻³。
• 昴星团云（Hyades Cloud）的电子密度显著高于LIC，可能由于G191-B2B强辐射场导致屏蔽减弱。
• 推导出的热压范围为 $P/k = 3300^{+5500}_{-1900}$ K cm⁻³，与基于C I激发态的先前估计一致。