[论文解读] UV-driven chemistry in simulations of the interstellar medium. I. Post-processed chemistry with the Meudon PDR code

François Lévrier, Franck Le Petit+4 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 45被引用 28

一句话总结

本研究通过使用Meudon PDR代码对磁流体动力学（MHD）模拟进行后处理，探究了在弥漫星际介质中由紫外线驱动的化学过程，评估了真实密度涨落在分子丰度中的影响。结果表明，考虑密度变化可使CO柱密度提高2–4倍，并改善与观测到的H2–CO相关性的符合度，将斜率从均匀密度下的14降低至波动密度下的5.2，同时揭示了35–40%的分子气体为‘暗’分子气体（即无法通过CO J=1→0探测到）。

ABSTRACT

Our main purpose is to estimate the effect of assuming uniform density on the line-of-sight in PDR chemistry models, compared to a more realistic distribution for which total gas densities may well vary by several orders of magnitude. A secondary goal of this paper is to estimate the amount of molecular hydrogen which is not properly traced by the CO (J = 1 -> 0) line, the so-called "dark molecular gas". We use results from a magnetohydrodynamical (MHD) simulation as a model for the density structures found in a turbulent diffuse ISM with no star-formation activity. The Meudon PDR code is then applied to a number of lines of sight through this model, to derive their chemical structures. It is found that, compared to the uniform density assumption, maximal chemical abundances for H2, CO, CH and CN are increased by a factor 2 to 4 when taking into account density fluctuations on the line of sight. The correlations between column densities of CO, CH and CN with respect to those of H2 are also found to be in better overall agreement with observations. For instance, at N(H2) > 2.10^{20} cm-2, while observations suggest that d[log N(CO)]=d[log N(H2)] = 3.07 +/- 0.73, we find d[log N(CO)]=d[log N(H2)] =14 when assuming uniform density, and d[log N(CO)]=d[log N(H2)] = 5.2 when including density fluctuations.

研究动机与目标

• 评估真实密度涨落在弥漫星际介质中紫外线驱动化学过程中的影响，挑战PDR模型中常见的均匀密度假设。
• 通过整合来自MHD模拟的空间可变密度结构，改进对分子丰度（尤其是CO）的模拟再现效果。
• 在当前观测灵敏度下，估算未被CO(J=1→0)发射探测到的分子气体比例，即‘暗分子气体’的比例。
• 通过比较化学时标与MHD模拟中的动力学时标和穿越时间，验证PDR建模中稳态假设的有效性。

提出的方法

• 使用RAMSES代码生成具有自适应网格细化（AMR）的三维磁流体动力学（MHD）模拟，模拟湍流弥漫ISM。
• 对MHD模拟中的多个一维视线应用Meudon PDR代码，沿每条路径使用实际的密度和辐射场分布。
• 采用包含99种物种和1362条反应的完整化学网络，涵盖气相反应和表面反应，以紫外线辐射为主要能量来源。
• 通过求解每条视线的稳态化学演化进行后处理，假设局部电离平衡，并以FUV辐射场（χ = 1）作为输入。
• 计算关键物种（H2、CO、CH、CN）的柱密度，并将模拟的H2–CO相关性斜率与观测数据进行比较。
• 通过设定10^14 cm⁻²的灵敏度阈值，估算‘暗分子气体’为CO(J=1→0)柱密度低于当前探测极限的H2比例。

实验结果

研究问题

• RQ1 在湍流、非均匀的ISM中，密度涨落如何影响CO及其他关键分子的预测柱密度，相较于均匀密度模型？
• RQ2 在模拟中引入真实密度结构后，模拟的H2–CO柱密度相关性与观测数据的符合度能改善到何种程度？
• RQ3 由于CO丰度较低，有多少比例的分子气体未被CO(J=1→0)发射探测到？这一比例如何随H2柱密度变化？
• RQ4 在湍流演化ISM结构中，考虑到化学形成时标与动力学演化时标，PDR化学的稳态假设是否成立？

主要发现

• 与均匀密度模型相比，考虑密度涨落使模拟视线中的最大CO柱密度提高了2–4倍。
• 模拟的H2–CO相关性斜率从均匀密度下的14降低至波动密度下的5.2，更接近观测到的斜率3.07 ± 0.73。
• 在H2柱密度 ≥ 2×10²⁰ cm⁻²的区域，考虑密度涨落的模型比均匀密度假设更准确地再现了观测到的H2–CO相关性。
• 在最致密区域（nH ≥ 10³ cm⁻³），35–40%的分子气体被归类为‘暗’气体——即在当前灵敏度限制下无法通过CO(J=1→0)发射探测到。
• [CII] 158 μm线被识别为该暗分子气体的可行示踪剂，因其在模拟区域中与总H2表现出良好相关性。
• 原始MHD模拟中使用的简化冷却模型所得到的气体温度，与使用Meudon PDR代码中更详细冷却过程计算出的温度结果基本一致。