[論文レビュー] Abundance profiles of CH3OH and H2CO toward massive young stars as evolutionary tracers

Floris F. S. van der Tak, E. F. van Dishoeck+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2000

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、13個のマスィブな若木星系に対してCH3OHおよびH2COのサブミリメートル線観測を用いて、ガス-粒子化学モデルを検証した。CH3OHの回転温度がC2H2の励起温度と相関していることから、氷被膜の共役的脱着が示され、進化段階に連動した3つの異なる濃度プロファイルが特定された—冷たい状態では約10⁻⁹、約100 Kで約10⁻⁷へのジャンプ、ホットコアでは約数×10⁻⁸の平坦な分布—これは被膜の蒸発がメタノール増強の原因であることを確認する。

ABSTRACT

The chemical evolution of thirteen regions of massive star formation is studied through single-dish and interferometer line observations at submillimeter wavelengths. The wealth of CH3OH and H2CO lines covering a large range of excitation conditions allows us to calculate radial abundance profiles, using the physical structures of the sources derived earlier from submillimeter continuum and CS lines. The data indicate three types of abundance profiles: flat profiles at CH3OH/H2 ~10^-9 for the coldest sources, profiles with a jump in its abundance from ~10^-9 to ~10^-7 for the warmer sources, and flat profiles at CH3OH/H2 ~few 10^-8 for the hot cores. The location of the jump at T~100 K suggests that it is due to evaporation of grain mantles, followed by destruction in gas-phase reactions in the hot core stage. In contrast, the H2CO data can be well fit with a constant abundance of a few x 10^-9 throughout the envelope, providing limits on its grain surface formation. These results indicate that T_rot(CH3OH) can be used as evolutionary indicator during the embedded phase of massive star formation, independent of source optical depth or orientation.

研究の動機と目的

• サブミリメートル線データを用いて、マスィブな星形成領域におけるCH3OHおよびH2COの化学的進化を調査すること。
• CH3OHの濃度プロファイルがマスィブな若木星対象（MYSOs）の進化段階をトレースするかどうかを検証すること。
• 低発光度源と高発光度源における氷被膜の主な脱着機構（衝撃 vs. 熱加熱）を特定すること。
• 観測された固体相におけるCO、CO2、CH3OHの濃度から、前プロト星段階の密度と時間スケールを制約すること。
• 埋め込まれた領域におけるUV光分解および放射線分解の有効性が、氷の組成変化に与える影響を評価すること。

提案手法

• JCMTを用いた単眼観測およびOVROを用いた干渉計観測を、CH3OHおよびH2COの241 GHzおよび338 GHz帯で実施した。
• 線幅および励起温度からCH3OH（30–200 K）およびH2CO（60–90 K）の回転温度（T_rot）を測定した。
• 非局所熱平衡（non-LTE）放射線輸送モデルを用いて、観測された線強度および源構造からCH3OHおよびH2COの径方向濃度プロファイルを導出した。
• CO付着レートでの表面反応を仮定したガス-粒子化学モデルの予測と、観測された濃度プロファイルを比較した。
• UV光分解および宇宙線放射線分解の処理機構を評価するため、モデル出力と観測されたHCOOHおよびCH4濃度を比較した。
• ガス温度の推定としてC2H2の励起温度をプロキシとして用い、CH3OH線放出の起源を特定し、氷被膜の脱着と同時に進化するかを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CH3OHの回転温度がC2H2の励起温度と相関しているかどうか。これは、氷被膜の脱着に起因する共役的起源を示唆する。
• RQ2 約100 Kで観測されたCH3OH濃度のジャンプ（約10⁻⁹から約10⁻⁷）の原因は何か。これは進化段階とどのように関連しているか。
• RQ3 H2COの濃度プロファイルがエンvelope全体で一定であることを踏まえ、これは主に気相で生成されたものか、あるいは粒子表面で生成されたものか。
• RQ4 観測された固体相におけるCO、CO2、CH3OHの濃度から、前プロト星段階の密度と持続時間の制約は何か。
• RQ5 埋め込まれたマスィブな星形成領域において、UV光分解および放射線分解は効果的な氷処理機構であるか。

主な発見

• CH3OHの回転温度（30–200 K）がC2H2の励起温度と強く相関しており、氷被膜からの共役的脱着を示している。
• CH3OHの線幅（3–5 km s⁻¹）は、ほとんどの源でC17OおよびC34Sと一致するが、GL 7009SおよびIRAS 20126では線の非対称性が観測され、CH3OHが流れに存在することを示しており、低発光度源では衝撃駆動型脱着が発生していることを示している。
• CH3OHの濃度プロファイルとして3つの異なるタイプが特定された：冷たい源では約10⁻⁹の平坦な分布、中間的段階の源では約100 Kで約10⁻⁹から約10⁻⁷へのジャンプ、ホットコアでは約数×10⁻⁸の平坦な分布。
• 約100 KでのCH3OH濃度のジャンプは、氷被膜の蒸発によるものと解釈され、その後のホットコア条件における気相反応による破壊が関与している。
• H2COの濃度はエンvelope全体で約数×10⁻⁹で一定であり、主に気相で生成され、粒子表面での水素化反応によるCH3OH生成は限定的であることを示している。
• 観測されたCO2およびCH3OHの濃度で制約されたガス-粒子化学モデルは、前プロト星段階の密度が数×10⁴ cm⁻³以上、持続時間が10⁵年未塔であり、CO付着レートで進行する表面反応が成立していると示唆している。