[論文レビュー] A line confusion limited millimeter survey of Orion KL. II: Silicon-bearing species

B. Tercero, L. Vincent+3 more|UCL Discovery (University College London)|Dec 9, 2010

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 93被引用数 50

ひとこと要約

本研究では、IRAM 30メートル望遠鏡を用いたオリオンKLにおけるケイ酸塩を含む分子の高分解能ミリ波長サーベイを実施し、SiOおよびSiSの複数の同素体および振動状態を検出。SiO (J=2-1およびJ=4-3) の強力なメーザー放射が明らかになり、SiSの15.5 km/sの明著な発光特徴が、流れ出し-雲相互作用に起因すると特定され、化学的モデリングによりSiSはSiとSの表面反応によって形成されると示唆された。一方、SiOは気相または固体表面上でも形成可能であることが判明した。

ABSTRACT

We present a study of the Silicon-bearing species detected in a line confusion limited survey towards Orion KL performed with the IRAM 30-m telescope, which ranges from 80 to 280 GHz. Our aim is to derive physical and chemical conditions for each family taking into account all observed lines from all isotopologues of each species. We have modeled the lines of the detected molecules using a radiative transfer code, which permit us to choose between LVG and LTE approximations depending on the physical conditions of the gas. We have used appropriate collisional rates for the LVG calculations. For the v=1 state of SiO we have detected the J=2-1 line and, for the first time in this source, emission in the J=4-3 transition, both of them showing strong masering effect. For SiO v=0, we have detected 28SiO, 29SiO, and 30SiO; in addition, we have mapped the J = 5-4 SiO line. For SiS, we have detected the main species, 29SiS, and SiS v=1. Unlikely other species detected in Orion KL (IRc2), the emission peak of SiS appears at a velocity of ~15.5 km s-1; a study of the 5-4 SiO line around IRc2 shows this feature as an extended component that probably arises from the interaction of the outflow with the ambient cloud. We derive a SiO/SiS column density ratio of ~13 in the plateau component. Besides, we provide upper limits to the column density of several non-detected Silicon-bearing species. The results of our chemical models show that while it is possible to reproduce SiO in the gas phase (as well as on the grains), SiS is a product of surface reactions, most likely involving direct reactions of S with Si.

研究の動機と目的

• 線の混在によって制限されるミリ波サーベイを用いてオリオンKL内のケイ酸塩を含む種を分析し、物理的および化学的条件を導出すること。
• 複数の遷移および同素体を対象としたSiOおよびSiSの全柱密度、同位体比、振動温度を決定すること。
• 放射線輸送および化学的モデリングを用いて、特に拡張した15.5 km/s特徴の起源を調査すること。
• 表面反応がSiSの形成に果たす役割と、SiOの気相形成との比較を評価すること。
• SiC、SiC₂、SiCNなどの非検出ケイ酸塩種の上限を提示すること。

提案手法

• 線の混在によって制限される、80–280 GHzのオリオンKLサーベイをIRAM 30メートル望遠鏡を用いて実施した。
• 観測されたラインを放射線輸送コードを用いてモデリングし、ガス状態に応じて大型速度勾配（LVG）または局所熱力学的平衡（LTE）近似を選択した。
• 放射線輸送計算において、SiO-p-H₂およびSiS-o-H₂の更新済み衝突率を用い、源平均の全柱密度を導出した。
• J=5–4 SiO線のマッピングを実施し、15.5 km/s特徴の空間的起源を調査し、オフセット位置の発光と比較した。
• ガス-表面化学的モデリングのグリッドを走査し、SiOおよびSiSの生成経路を検証した。表面での硫黄反応性を変化させた。
• 複数のスペクトル成分（ホットコア、プレートウオール、高速成分など）を考慮し、ラインプロファイルから全柱密度比および振動温度を算出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SiOおよびSiSを発光するオリオンKLの異なる成分における物理的条件（運動温度、密度、速度分散）は何か？
• RQ2 なぜSiS発光が15.5 km/sで最も強く観測されるのか？この特徴の空間的および力学的起源は何か？
• RQ3 SiOおよびSiSの全柱密度および同位体比はどのように比較されるか？これにより、元素比および化学反応の理解がどのように進むか？
• RQ4 観測されたSiOおよびSiSの濃度は、気相反応または表面反応経路によって再現可能か？
• RQ5 SiC、SiCN、SiNCなどの非検出ケイ酸塩種の上限は何か？

主な発見

• SiO (v=1) のJ=4–3遷移がオリオンKLで初めて検出され、J=2–1線と併せて強力なメーザー放射を示した。
• SiSに特有の15.5 km/s発光特徴が特定され、BN天体と空間的に関連しており、流れ出し-雲相互作用に起因すると考えられる。T_K = 200 K、n(H₂) = 5 × 10⁶ cm⁻³、v_half = 7.5 km/s と推定された。
• プレートウオール成分におけるSiO/SiS全柱密度比は約13であり、宇宙のO/S比（約48）よりも顕著に低い。これはSiSが予想よりも少ない濃度で存在することを示唆している。
• 15.5 km/s特徴におけるSiS (v=1) の振動温度は約500 Kであり、運動温度よりも高い。これは赤外線励起または基底状態ラインでは見えない温かい成分が存在することを示唆している。
• 化学的モデリングにより、SiOは気相および表面反応経路の両方で再現可能であるが、SiSの形成には表面でのSiとSの反応が不可欠である。観測と一致させるには、表面に結合したSのうちわずか5–10%が効率的に反応している必要がある。
• 非検出種の上限は以下の通りである：SiC (1.3 × 10¹⁴ cm⁻²)、SiC₂ (3.5 × 10¹³ cm⁻²)、c-SiC₃ (1.3 × 10¹³ cm⁻²)、SiC₄ (3.5 × 10¹² cm⁻²)、SiN (6.1 × 10¹³ cm⁻²)、SiCN (3.1 × 10¹³ cm⁻²)、SiNC (3.1 × 10¹³ cm⁻²)。