[论文解读] Unlocking the Keyhole - H2 and PAH emission from molecular clumps in the Keyhole Nebula

Kate Brooks, Michael Burton+3 more|UNSWorks (UNSW Sydney)|Oct 8, 2000

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 6

一句话总结

本研究对钥匙孔星云中的H₂ 1–0 S(1)和3.29 µm处的PAH发射进行了测绘，以研究分子团块周围光致分解区（PDRs）的特性。研究发现，H₂和PAH发射在η Car风扫过的团块中同时存在，证实了其表面存在PDRs；并揭示了三维结构：不同径向速度的团块位于电离区的前方、内部或后方，表明原始分子云残余物正被紫外辐射光致蒸发和破坏。

ABSTRACT

To better understand the environment surrounding CO emission clumps in the Keyhole Nebula, we have made images of the region in H2 1-0 S(1) (2.122 um) emission and polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) emission at 3.29 um. Our results show that the H2 and PAH emission regions are morphologically similar, existing as several clumps, all of which correspond to CO emission clumps and dark optical features. The emission confirms the existence of photodissociation regions (PDRs) on the surface of the clumps. By comparing the velocity range of the CO emission with the optical appearance of the H2 and PAH emission, we present a model of the Keyhole Nebula in which the most negative velocity clumps are in front of the ionization region, the clumps at intermediate velocities are in it, and those which have the least negative velocities are at the far side. It may be that these clumps, which appear to have been swept up from molecular gas by the stellar winds from eta Car, are now being over-run by the ionization region and forming PDRs on their surfaces. These clumps comprise the last remnants of the ambient molecular cloud around eta Car.

研究动机与目标

• 理解钥匙孔星云中分子团块的物理环境，特别是其与周围电离气体和紫外辐射场的相互作用。
• 确定H₂和PAH发射是否在这些团块表面追踪光致分解区（PDRs）。
• 通过结合速度、空间和形态学数据，约束团块相对于H II区的三维几何结构。
• 评估紫外辐射在驱动致密、团块状分子气体中光致分解和荧光激发中的作用。
• 基于观测通量估算发射区域中PAH柱密度和碳丰度。

提出的方法

• 使用新南威尔士大学红外法布里-珀罗仪（UNSWIRF）在2.122 µm波长对钥匙孔星云进行H₂ 1–0 S(1)发射成像。
• 使用南极SPIREX/Abu热红外相机在3.29 µm波长对PAH发射进行成像。
• 将H₂和PAH发射的空间分布与光学图像、射电连续谱发射以及Cox & Bronfman（1995）提供的CO(2–1)谱线发射数据进行比较。
• 利用CO(2–1)发射的速度信息，将团块分配到电离前沿的不同位置（前方、内部或后方）。
• 通过公式N_PAH ≈ 1.5 × 10¹⁴ × F / (1.2 × 10⁻¹⁵) cm⁻²估算PAH柱密度，其中F为单位立体角的通量（单位：erg s⁻¹ cm⁻² sr⁻¹）。
• 通过比较预期的H₂ 1–0 S(1)与2–1 S(1)谱线强度比（≈2）与非平衡条件下观测值，评估光致解离平衡的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 H₂和PAH发射是否在同一区域共存，表明分子团块表面存在光致分解区（PDRs）？
• RQ2 CO发射团块的径向速度如何与它们相对于H II区电离前沿的空间位置相关？
• RQ3 钥匙孔星云中分子团块的三维几何结构是什么？它们与η Car电离辐射之间有何关系？
• RQ4 基于3.29 µm发射观测，这些区域中有多大比例的星际碳以PAH分子形式存在？
• RQ5 团块中是否已建立光致解离平衡，还是由于非平衡条件导致荧光谱线强度增强？

主要发现

• H₂和PAH发射在形态上相似且共位置于团块中，证实二者均由远紫外辐射荧光激发，表明团块表面存在光致分解区（PDRs）。
• 团块分布在三个速度组中：最负速度的团块（如C、B、A1）位于电离区前方，中等速度的团块（如A1、A2、4、5）位于电离区内，最正速度的团块（如1、2、3）位于后方，确立了三维结构。
• A1、A2、4和5等团块表现出明亮的边缘，位于H II区内，其中A1为面朝前观测，4和5为侧向观测，证实其位于电离前沿。
• 团块A1在3.29 µm处的峰值通量为3×10⁻³ erg s⁻¹ cm⁻² sr⁻¹，估算其PAH柱密度约为10¹⁴ cm⁻²，表明该区域多达30%的总碳可能以PAH分子形式存在。
• 光致解离平衡的时标（5×10⁴年）超过风的假设年龄（约10³年），暗示非平衡条件，荧光谱线强度可能被增强。
• 若未建立光致解离平衡，H₂ 1–0 S(1)与2–1 S(1)谱线强度比可能偏离稳态预测值，未来观测可对此进行检验。