Cosmic Rays: Gas Phase Astrophysics and Astrochemistry Marco Spaans (Groningen) Rowin Meijerink...

30
Cosmic Rays: Cosmic Rays: Gas Phase Astrophysics Gas Phase Astrophysics and Astrochemistry and Astrochemistry Marco Spaans (Groningen) Marco Spaans (Groningen) Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen (Leiden), Paul van der Werf (Leiden), Paul van der Werf (Leiden), Padelis Papadopoulos (Bonn) (Leiden), Padelis Papadopoulos (Bonn)

Transcript of Cosmic Rays: Gas Phase Astrophysics and Astrochemistry Marco Spaans (Groningen) Rowin Meijerink...

Page 1: Cosmic Rays: Gas Phase Astrophysics and Astrochemistry Marco Spaans (Groningen) Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen (Leiden), Paul van der Werf (Leiden),

Cosmic Rays:Cosmic Rays:Gas Phase Astrophysics and Gas Phase Astrophysics and

AstrochemistryAstrochemistry

Marco Spaans (Groningen)Marco Spaans (Groningen)

Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen (Leiden), Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen (Leiden), Paul van der Werf (Leiden), Padelis Papadopoulos (Bonn) Paul van der Werf (Leiden), Padelis Papadopoulos (Bonn)

Page 2: Cosmic Rays: Gas Phase Astrophysics and Astrochemistry Marco Spaans (Groningen) Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen (Leiden), Paul van der Werf (Leiden),

CRDRs (CRs/SNe)CRDRs (CRs/SNe) MDRs (shocks)MDRs (shocks)

PDRs (UV/SBs)PDRs (UV/SBs) XDRs (X-ray/AGN)XDRs (X-ray/AGN)

Page 3: Cosmic Rays: Gas Phase Astrophysics and Astrochemistry Marco Spaans (Groningen) Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen (Leiden), Paul van der Werf (Leiden),

Multi-Phase Medium; heating by CRs or

dust (Wolfire et al. 2003; Spaans & Norman 1997; Field et al. 1969)

Page 4: Cosmic Rays: Gas Phase Astrophysics and Astrochemistry Marco Spaans (Groningen) Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen (Leiden), Paul van der Werf (Leiden),

Metallicity & Multi-Phase ISM:

Lower metallicity yields smaller molecular clouds

X-factor: CO/H2

Mihos et al. (1999), Bolatto et al. (1999), Roellig et al. (2006)

Page 5: Cosmic Rays: Gas Phase Astrophysics and Astrochemistry Marco Spaans (Groningen) Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen (Leiden), Paul van der Werf (Leiden),

CR protons upto 100 CR protons upto 100 MeV listed: HMeV listed: H22 ionization, ionization,

while 1-20 GeV CRs while 1-20 GeV CRs responsible for bulk of responsible for bulk of ππ00

mesons mesons → 2→ 2γγ and, e.g., and, e.g., pp→pnpp→pnππ++

Page 6: Cosmic Rays: Gas Phase Astrophysics and Astrochemistry Marco Spaans (Groningen) Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen (Leiden), Paul van der Werf (Leiden),

Effects of CRs?Effects of CRs? One often has a UV irradiated cloud edgeOne often has a UV irradiated cloud edge PDR model with CR rate = 5x10PDR model with CR rate = 5x10-15-15 s s-1-1; so SN ; so SN

rate for ~100 Mrate for ~100 M00/yr/yr Note small changes in C, OH and HNote small changes in C, OH and H22OO

Page 7: Cosmic Rays: Gas Phase Astrophysics and Astrochemistry Marco Spaans (Groningen) Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen (Leiden), Paul van der Werf (Leiden),

CR ionization acts deep in CR ionization acts deep in molecular clouds (similar to XDRs)molecular clouds (similar to XDRs)

Page 8: Cosmic Rays: Gas Phase Astrophysics and Astrochemistry Marco Spaans (Groningen) Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen (Leiden), Paul van der Werf (Leiden),

PDRs: 6 < E < 13.6 eVPDRs: 6 < E < 13.6 eV

Heating: Heating: Photo-electric emission from Photo-electric emission from grains and cosmic rays grains and cosmic rays

Cooling: Fine-structure lines like Cooling: Fine-structure lines like [OI] 63, 145; [CII] 158 μm [OI] 63, 145; [CII] 158 μm and emission by H and emission by H22, CO, H, CO, H22OO

10 eV photon penetrates 0.5 10 eV photon penetrates 0.5 magmag of dust of dust Heating efficiency ~ 0.1 – 1.0 %Heating efficiency ~ 0.1 – 1.0 %

Page 9: Cosmic Rays: Gas Phase Astrophysics and Astrochemistry Marco Spaans (Groningen) Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen (Leiden), Paul van der Werf (Leiden),

XDRs: E > 1 keVXDRs: E > 1 keV

Heating: X-ray photo-ionization --> Heating: X-ray photo-ionization --> fast electrons - Coulomb heating fast electrons - Coulomb heating H and H H and H22vibvib

excitation - UVexcitation - UV Cooling: [FeII] 1.26, 1.64; [OI] 63; Cooling: [FeII] 1.26, 1.64; [OI] 63;

[CII] 158; [SiII] 35 μm; [CII] 158; [SiII] 35 μm; thermal H thermal H22vib; gas-dustvib; gas-dust

1 keV photon penetrates 101 keV photon penetrates 1022 22 cmcm-2 -2 of Nof NHH

Heating efficiency ~ 10 – 50 %Heating efficiency ~ 10 – 50 %

Page 10: Cosmic Rays: Gas Phase Astrophysics and Astrochemistry Marco Spaans (Groningen) Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen (Leiden), Paul van der Werf (Leiden),

PDR (left) with n=10PDR (left) with n=1055 cm cm-3-3 and G=10 and G=103.53.5

XDR with n=10XDR with n=105 5 cmcm-3 -3 and Fand FX X = 5.1 erg s= 5.1 erg s-1 -1 cmcm-3-3

Note NNote NHH dependence H dependence H22, C, C++, C, CO, OH, etc., C, CO, OH, etc.

Page 11: Cosmic Rays: Gas Phase Astrophysics and Astrochemistry Marco Spaans (Groningen) Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen (Leiden), Paul van der Werf (Leiden),

------------------------------------------------------- CR heating: ~8 eV per H2 ionization (H, He slightly different Cravens & Dalgarno 1978)

Page 12: Cosmic Rays: Gas Phase Astrophysics and Astrochemistry Marco Spaans (Groningen) Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen (Leiden), Paul van der Werf (Leiden),
Page 13: Cosmic Rays: Gas Phase Astrophysics and Astrochemistry Marco Spaans (Groningen) Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen (Leiden), Paul van der Werf (Leiden),
Page 14: Cosmic Rays: Gas Phase Astrophysics and Astrochemistry Marco Spaans (Groningen) Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen (Leiden), Paul van der Werf (Leiden),

CRs can dominate gas heating for SFR > CRs can dominate gas heating for SFR > 100 Mo/yr; think of Arp220 and IMF 100 Mo/yr; think of Arp220 and IMF

through Mthrough MJeansJeans (Papadopoulos 2010)(Papadopoulos 2010)

Page 15: Cosmic Rays: Gas Phase Astrophysics and Astrochemistry Marco Spaans (Groningen) Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen (Leiden), Paul van der Werf (Leiden),

CRs drive ionization and shift CCRs drive ionization and shift C++-C-CO -C-CO transitiontransition

Page 16: Cosmic Rays: Gas Phase Astrophysics and Astrochemistry Marco Spaans (Groningen) Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen (Leiden), Paul van der Werf (Leiden),

CRs drive ionization, form molecular CRs drive ionization, form molecular ionsions

Page 17: Cosmic Rays: Gas Phase Astrophysics and Astrochemistry Marco Spaans (Groningen) Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen (Leiden), Paul van der Werf (Leiden),

Particularly oxygen bearing ones!Particularly oxygen bearing ones!

Page 18: Cosmic Rays: Gas Phase Astrophysics and Astrochemistry Marco Spaans (Groningen) Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen (Leiden), Paul van der Werf (Leiden),

BUTBUT: CRs : CRs ≠ X-≠ X-rays; only very rays; only very high CR rates high CR rates boost OHboost OH+ + and and HH22OO+ + (fine-(fine-

structure lines structure lines little affected by little affected by

CRs)CRs)

Page 19: Cosmic Rays: Gas Phase Astrophysics and Astrochemistry Marco Spaans (Groningen) Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen (Leiden), Paul van der Werf (Leiden),

Mrk 231 Mrk 231 SPIRE data SPIRE data van der Werf et van der Werf et

al. (2010)al. (2010)

Page 20: Cosmic Rays: Gas Phase Astrophysics and Astrochemistry Marco Spaans (Groningen) Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen (Leiden), Paul van der Werf (Leiden),
Page 21: Cosmic Rays: Gas Phase Astrophysics and Astrochemistry Marco Spaans (Groningen) Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen (Leiden), Paul van der Werf (Leiden),
Page 22: Cosmic Rays: Gas Phase Astrophysics and Astrochemistry Marco Spaans (Groningen) Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen (Leiden), Paul van der Werf (Leiden),

How about How about shocks?shocks?

M82, shock M82, shock tracer SiO 2-1 tracer SiO 2-1 + 4.8 GHz + 4.8 GHz radio radio (Garc(Garcíía-Burillo a-Burillo et al. 2001, et al. 2001, IRAM PdB)IRAM PdB)

Page 23: Cosmic Rays: Gas Phase Astrophysics and Astrochemistry Marco Spaans (Groningen) Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen (Leiden), Paul van der Werf (Leiden),

M82, CO 6-5 (116K; Ward et al. 2003, CSO)M82, CO 6-5 (116K; Ward et al. 2003, CSO)

Page 24: Cosmic Rays: Gas Phase Astrophysics and Astrochemistry Marco Spaans (Groningen) Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen (Leiden), Paul van der Werf (Leiden),

Jump ConditionsJump Conditions

Page 25: Cosmic Rays: Gas Phase Astrophysics and Astrochemistry Marco Spaans (Groningen) Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen (Leiden), Paul van der Werf (Leiden),

J-Shocks of > 50 km/s lead to J-Shocks of > 50 km/s lead to high compression, molecule high compression, molecule dissociation and reformation dissociation and reformation

in the shock wakein the shock wake

Page 26: Cosmic Rays: Gas Phase Astrophysics and Astrochemistry Marco Spaans (Groningen) Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen (Leiden), Paul van der Werf (Leiden),

J-shock structureJ-shock structure

Page 27: Cosmic Rays: Gas Phase Astrophysics and Astrochemistry Marco Spaans (Groningen) Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen (Leiden), Paul van der Werf (Leiden),

J-shock chemistryJ-shock chemistry

Page 28: Cosmic Rays: Gas Phase Astrophysics and Astrochemistry Marco Spaans (Groningen) Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen (Leiden), Paul van der Werf (Leiden),

SummarySummary

CRs (strongly) affect cloud chemistry (in CRs (strongly) affect cloud chemistry (in SBs) and can be distinguished from SBs) and can be distinguished from XDRs and shocks through OH, HXDRs and shocks through OH, H22O, OHO, OH++, , HH22OO++, H, H33OO+ + and high-J CO; not through and high-J CO; not through fine-structure and low-J CO lines if UV fine-structure and low-J CO lines if UV irradiation actsirradiation acts

For the future, ALMA will be crucial to For the future, ALMA will be crucial to provide spatial information on CR provide spatial information on CR exposed molecular cloudsexposed molecular clouds

Page 29: Cosmic Rays: Gas Phase Astrophysics and Astrochemistry Marco Spaans (Groningen) Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen (Leiden), Paul van der Werf (Leiden),

Maloney et al. Maloney et al. (1996)(1996)

Page 30: Cosmic Rays: Gas Phase Astrophysics and Astrochemistry Marco Spaans (Groningen) Rowin Meijerink (Leiden), Edo Loenen (Leiden), Paul van der Werf (Leiden),

EnergeticsEnergetics

GG0 0 == 1.6x101.6x10-3-3 erg cm erg cm-2-2 s s-1-1

is the Habing flux over 6-13.6 is the Habing flux over 6-13.6 eVeV

Orion Bar has 10Orion Bar has 105 5 GG00

FFXX = = 84 L 84 L4444 r r22

-2-2 erg cmerg cm-2-2 s s-1-1 is the X-ray flux over 1-100 is the X-ray flux over 1-100 keVkeV with a with a

power law Epower law E-0.9-0.9 Think of Seyfert nucleus at 100 pc or Think of Seyfert nucleus at 100 pc or

TTauri star with 10 TTauri star with 103232 erg/s at 20 AU erg/s at 20 AU