X射线暴露环境中通过尘埃颗粒化学增强的H2O生成

ULIRG星系Mrk 231在$\lambda = 200-670\mu m$之间表现出非常强的水转动谱线，其强度与CO转动谱线相当。高红移类星体也表现出类似的CO和H2O谱线特征，而诸如M82之类的星暴星系在同一波长范围内缺乏这些极强的H2O谱线，但确实表现出强CO谱线。我们以裸露的星际碳质尘埃颗粒为催化剂，探讨了在X射线暴露环境中增强气相H2O丰度的可能性。云-云碰撞引发C激波和J激波，并剥离尘埃颗粒的冰层。吸积黑洞产生的X射线所形成的内部紫外场阻止了冰层的重新形成。我们利用蒙特卡洛方法和速率方程方法模拟，确定了温度为$T_dust=10-60$ K的尘埃颗粒上OH和H2O的生成速率。将获得的生成速率加入我们的X射线化学代码中，使我们能够计算活动星系核附近星际介质的热结构和化学结构。我们推导了以裸露尘埃颗粒为催化剂时OH和H2O生成的解析表达式。到达尘埃上的氧原子以OH和H2O的形式释放到气相中。在$T_dust=15-40$ K之间，由于尘埃上发生的化学过程，这种转化的效率约为30%（氧转化为OH）和60%（氧转化为H_2O）。在更高温度下，效率迅速下降。当气体主要为原子态时，尘埃上的分子生成占主导地位，超过了气相路径，后者随后因低H2丰度而被猝灭。在此情况下，在X射线暴露环境中，温暖（$T> 200$ K）水丰度可被增强一个数量级。这有助于解释在邻近及高红移ULIRG和类星体中观测到的明亮水谱线。