无尘星际介质气体中的 HI 到 H$_2$ 转变

我们给出冷（$\sim$100 K）低金属度无尘（原初）气体中原子到分子（HI 到 H$_2$）转变的数值计算与分析，其中分子形成经由宇宙线驱动的负离子化学，移除则由远紫外光解离与宇宙线电离和离解共同完成。对于任意气体温度，其行为取决于 Lyman-Werner（LW）带远紫外强度与气体密度之比 $I_{\rm LW}/n$，以及宇宙线电离率与气体密度之比 $\zeta/n$。我们给出无尘气体在宽广 $\zeta/n$ 与 $I_{\rm LW}/n$ 范围内的多组 HI 到 H$_2$ 丰度剖面。我们确定了在光学厚云中 H$_2$ 吸收线自屏蔽使电离驱动化学下发生原子到分子形式转变的条件。我们还考察了宇宙线能量损失对原子与分子密度剖面及转变点的影响。对于单位银河系星际介质远紫外场强（$I_{\rm LW}=1$），其 LW 通量为 $2.07\times 10^7$ 光子 cm$^{-2}$ s$^{-1}$，以及均匀宇宙线电离率 $\zeta=10^{-16}$ s$^{-1}$，在 100 K、气体体密度 $n=10^6$ cm$^{-3}$ 下，HI 到 H$_2$ 转变发生于总氢气体柱密度 $4\times 10^{21}$ cm$^{-2}$ 处，耗时在 $3\times 10^7$ 年内。对于这些参数，无尘极限在尘埃—气体比 Z$^\prime_d \lesssim 10^{-5}$ 时达到，这可在相对于银河系太阳值总金属度 $Z^\prime\lesssim 0.01$ 时实现。