[論文レビュー] A high resolution line survey of IRC+10216 with Herschel. First results: Detection of warm silicon dicarbide SiC2

J. Cernicharo, L. B. F. M. Waters+25 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2010

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 54

ひとこと要約

本研究では、ハーシェル/HIFI機器を用いた高分解能分光法により、IRC +10216の原始惑星環状領域に、最初に温かいケイ酸化ケイ酸化物（SiC₂）の検出に成功した。この検出は、回転温度が約204 Kで、H₂に対する相対濃度が約2 × 10⁻⁷である55本の回転遷移に基づくものであり、SiC₂が内側のダスト生成領域で形成され、SiとC₂H₂の低温反応を経て炭化ケイ素ダスト形成に重要な役割を果たす可能性があることを示している。

ABSTRACT

We present the first results of a high-spectral-resolution survey of the carbon-rich evolved star IRC+10216 that was carried out with the HIFI spectrometer onboard Herschel. This survey covers all HIFI bands, with a spectral range from 488 to 1901GHz. In this letter we focus on the band-1b spectrum, in a spectral range 554.5-636.5GHz, where we identified 130 spectral features with intensities above 0.03 K and a signal-to-noise ratio >5. Detected lines arise from HCN, SiO, SiS, CS, CO, metal-bearing species and, surprisingly, silicon dicarbide (SiC2). We identified 55 SiC2 transitions involving energy levels between 300 and 900 K. By analysing these rotational lines, we conclude that SiC2 is produced in the inner dust formation zone, with an abundance of ~2x10^-7 relative to molecular hydrogen. These SiC2 lines have been observed for the first time in space and have been used to derive an SiC2 rotational temperature of ~204 K and a source-averaged column density of ~6.4x10^15 cm^-2. Furthermore, the high quality of the HIFI data set was used to improve the spectroscopic rotational constants of SiC2.

研究の動機と目的

• ハーシェル/HIFIを用いてIRC +10216の高スペクトル分解能ラインサーベイを実施し、その原始惑星環状領域に存在する分子種を同定すること。
• この進化した炭素豊富星の内側ダスト生成領域における物理的・化学的条件を特定すること。
• 宇宙空間におけるケイ酸化ケイ酸化物（SiC₂）の回転スペクトルを、初めて検出および特徴づけること。
• 内側から外側の環状領域にかけてのSiC₂の生成経路と濃度の変化を調査すること。
• 高精度なHIFIデータを用いて、SiC₂の分光定数を改良すること。

提案手法

• ハーシェル/HIFI分光計を用いて488–1901 GHzの周波数範囲で高分解能ラインサーベイを実施し、バンド1b（554.5–636.5 GHz）に焦点を当てた。
• S/N比が5以上でピーク輝度が0.03 K以上のスペクトル特徴を特定し、分子遷移に割り当てた。
• 55本の検出された遷移を用いた回転図解析により、SiC₂の回転温度と核密度を導出した。
• 放射線輸送モデリングを用いて観測されたラインプロファイルを再現し、回転準位の熱平衡化と球対称な流れを仮定した。
• 化学モデリングを用いて、内側環境（10¹⁵ cm）から外層にかけてのSiC₂濃度の変化をシミュレートし、Si、C₂H₂、C₂Hに関与する反応を含めた。
• 観測された線周波数と回転遷移を用いて、SiC₂の分光定数を精緻化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRC +10216の原始惑星環状領域におけるSiC₂の回転温度と核密度は何か？
• RQ2 SiC₂は主に内側のダスト生成領域か、外側の環状領域で形成されているのか？
• RQ3 SiC₂濃度の増加と強化に寄与する主要な化学経路は何か？
• RQ4 観測されたSiC₂の回転遷移は、理論的予測や分光データとどのように一致するか？
• RQ5 SiC₂は炭素豊富なAGB星における全体のケイ素予算とダスト形成にどの程度寄与しているか？

主な発見

• ハーシェル/HIFIによるIRC +10216のサーベイにおいて、宇宙空間でのケイ酸化ケイ酸化物（SiC₂）の最初の検出が達成された。
• SiC₂の回転温度は約204 Kと決定され、これは内側の環状領域の温かい領域からの放射を示している。
• SiC₂のソース平均核密度は6.4 × 10¹⁵ cm⁻²と測定され、H₂に対する相対濃度は約2 × 10⁻⁷であった。
• 化学モデリングの結果、SiC₂濃度は内側の環状領域で約2 × 10⁻⁷から外側の環状領域で約5 × 10⁻⁷に増加しており、これはSiとC₂H₂の低温反応によるものである。
• 反応Si + C₂H₂ → SiC₂が主な生成経路と特定され、速度定数は約10⁻¹⁰ cm³ s⁻¹であり、観測された濃度増加と一致している。
• 本研究では、SiC₂の分光定数が改良され、将来的な天体物理学的研究のための分子データベースが向上した。