[論文レビュー] ATLASGAL-selected massive clumps in the inner Galaxy: I. CO depletion and isotopic ratios

A. Giannetti, F. Wyrowski+9 more|Repository of the Academy's Library (Library of the Hungarian Academy of Sciences)|Jul 8, 2014

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 74被引用数 54

ひとこと要約

本研究では、アタスガル・サーベイの銀河中心部に位置する102個の質量の大きなクラスターについて、CO同素体線およびダスト連続放射を用いて、COの乾渇要因と同位体比を導出し、CO乾渇と同位体比を調査した。乾渇は、冷たく、初期段階にあるクラスターで最も強く、乾渇半径は0.2–0.8 pcであり、銀河中心からの距離とともに$^{12}$C/$^{13}$C比が増加し、$^{18}$O/$^{17}$O比はほぼ一定であることが判明した。また、顕著な固有の散乱が観測された。

ABSTRACT

In the low-mass regime, it is found that the gas-phase abundances of C-bearing molecules in cold starless cores rapidly decrease with increasing density, as the molecules form mantles on dust grains. We study CO depletion in 102 massive clumps selected from the ATLASGAL 870 micron survey, and investigate its correlation with evolutionary stage and with the physical parameters of the sources. Moreover, we study the gradients in [12C]/[13C] and [18O]/[17O] isotopic ratios across the inner Galaxy, and the virial stability of the clumps. We use low-J emission lines of CO isotopologues and the dust continuum emission to infer the depletion factor fD. RATRAN one-dimensional models were also used to determine fD and to investigate the presence of depletion above a density threshold. The isotopic ratios and optical depth were derived with a Bayesian approach. We find a significant number of clumps with a large fD, up to ~20. Larger values are found for colder clumps, thus for earlier evolutionary phases. For massive clumps in the earliest stages of evolution we estimate the radius of the region where CO depletion is important to be a few tenths of a pc. Clumps are found with total masses derived from dust continuum emission up to ~20 times higher than the virial mass, especially among the less evolved sources. These large values may in part be explained by the presence of depletion: if the CO emission comes mainly from the low-density outer layers, the molecules may be subthermally excited, leading to an overestimate of the dust masses. CO depletion in high-mass clumps seems to behave as in the low-mass regime, with less evolved clumps showing larger values for the depletion than their more evolved counterparts, and increasing for denser sources. The C and O isotopic ratios are consistent with previous determinations, and show a large intrinsic scatter.

研究の動機と目的

• 銀河中心部のさまざまな進化段階にある質量の大きなクラスターにおけるCO乾渇を調査すること。
• CO乾渇が温度、密度、進化段階に与える依存関係を特定すること。
• 銀河中心部にわたる$^{12}$C/$^{13}$Cおよび$^{18}$O/$^{17}$O同位体比を測定し、勾配を評価すること。
• CO乾渇が準拡散質量推定値およびクラスター安定性に与える影響を評価すること。
• 乾渇がダスト質量および準拡散パラメータ計算の信頼性に与える影響を検証すること。

提案手法

• 質量が約10²〜3×10⁴ M☉の102個の質量の大きなクラスターを、ATLASGAL 870 μmサーベイから選定した。
• 低J CO同素体線およびダスト連続放射を用いて、CO乾渇要因$f_D$を導出した。
• RATRAN一次元放射線輸送モデルを用いてCO乾渇をシミュレートし、臨界密度を特定した。
• ベイズ的手法を用いて、線放出から同位体比と光学厚さを導出した。
• ダスト由来質量と準拡散質量を比較し、重力的安定性を評価した。
• COが臨界密度（約数×10⁴ cm⁻³）以上で凍結するしきい値密度モデルを用いてCO乾渇をモデル化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量の大きなクラスターにおけるCO乾渇は、進化段階および物理的条件に応じてどのように変化するか？
• RQ2 銀河中心部にわたる$^{12}$C/$^{13}$Cおよび$^{18}$O/$^{17}$O同位体比の径方向傾向は何か？
• RQ3 CO乾渇が質量の大きなクラスターにおけるダスト質量および準拡散質量推定値にどれほどバイアスをもたらすか？
• RQ4 質量の大きなクラスターにおけるCO乾渇領域の特徴的な半径は何か？また、クラスターの進化とどのように相関するか？
• RQ5 観測された同位体比は、銀河化学進化モデルと整合しているか、それとも固有の変動を示唆しているか？

主な発見

• CO乾渇要因は最大で約20に達し、特に冷たく、初期段階にあるクラスターで顕著に高い値を示した。
• CO乾渇領域の半径は約0.2–0.8 pcと推定され、距離が遠くなるほどやや大きな値を示す傾向があり、ビーム平均化によるクラスターの不均一性が関係している可能性がある。
• $^{12}$C/$^{13}$C比は銀河中心からの距離とともに増加し、太陽系近傍では~66±12に達した。これは銀河化学進化モデルと整合的であった。
• $^{18}$O/$^{17}$O比は2–8 kpcの範囲で約4でほぼ一定であり、固有の散乱は約1であったが、個々の源では2〜6の値を示した。
• 約4 kpcのいくつかの源では、$^{18}$O/$^{17}$O比が約5.5であり、予備的星間雲の値と類似していた。
• 一部のクラスターでは準拡散質量推定値がダスト由来質量よりも著しく低く（最大20倍も低い）、CO乾渇がダスト質量を過大評価し、準拡散安定性を過小評価する可能性があることが示唆された。