[論文レビュー] Blue Luminescence and the Presence of Small PAHs in the ISM

U. Vijh, Adolf N. Witt+1 more|CERN Bulletin|Jul 13, 2005

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 27

ひとこと要約

この論文は、赤色の星（10,000–23,000 K）に照らされた通常の反射星雲で、小さな中性多環芳香族炭化水素（PAHs）からの青色発光（BL）を同定し、従来、銀河間物質（ISM）では不安定であると考えられていたこれらの小さなPAHsが、強力なUV放射の下で水素化アモルファスカーボン（HAC）粒子のような大きな炭素質構造物の光分解によって、現地で形成され、生存可能であることを示している。複数の星雲でのBLの検出と、芳香族発光特徴（AEFs）と空間的に相関する点から、小さなPAHsは銀河間物質に広く存在し、赤い長方形のようなレアな環境に限定されないことが確認された。

ABSTRACT

Blue Luminescence (BL) was first discovered in a proto-planetary nebula, the Red Rectangle (RR) surrounding the post-AGB star HD 44179. BL has been attributed to fluorescence by small, 3-4 ringed neutral polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) molecules, and was thought to be unique to the RR environment where such small molecules are actively being produced and shielded from the harsh interstellar radiation by a dense circumstellar disk. In this paper we present the BL spectrum detected in several ordinary reflection nebulae illuminated by stars having temperatures between 10,000 -- 23,000 K. All these nebulae are known to also exhibit the infrared emission features called aromatic emission features (AEFs) attributed to large PAHs. We present the spatial distribution of the BL in these nebulae. In the case of Ced~112, the BL is spatially correlated with mid-IR emission structures attributed to AEFs. These observations provide evidence for grain processing and possibly for in-situ formation of small grains and large molecules from larger aggregates. Most importantly, the detection of BL in these ordinary reflection nebulae suggests that the BL carrier is an ubiquitous component of the ISM and is not restricted to the particular environment of the RR.

研究の動機と目的

• 赤い長方形とは異なる特別な環境に限らず、銀河間物質（ISM）における小さな3–4環の中性PAHsの存在と生存を調査すること。
• 小さなPAHsの特定の蛍光シグネチャである青色発光（BL）が、既知の芳香族発光特徴（AEFs）を示す通常の反射星雲で検出可能かどうかを特定すること。
• それらが破壊されると予想される過酷な宇宙空間のUV環境において、小さなPAHsの形成メカニズムを解明すること。
• BL検出の結果が、PAHsの進化、粒子処理、さまざまな天体物理学的環境におけるAEFsの起源に関するモデルに与える影響を評価すること。

提案手法

• 初期型星（Teff = 10,000–23,000 K）に照らされた反射星雲（Ced 112、Ced 201、NGC 5367、NGC 2023）における青色発光（BL）の分光観測。
• 中赤外（mid-IR）発光特徴（特に小さな中性PAHsに関連する3.3 µmバンド）に起因するAEFsとBL発光の空間的相関分析。
• 観測されたBLスペクトルと、小さな中性PAHsの実験室蛍光データを比較し、発光体の同定を確認。
• 赤い長方形の中心星（HD 44179）のUV/可視光減光曲線を、ISMにおける小さなPAHsの存在を裏付ける独立した証拠として利用。
• 分子雲における吸収特徴（例：3.4 µm特徴）と粒子処理の既存データを分析し、HAC粒子からの現地PAH形成仮説を支持。
• 強いUV放射場によって駆動される光分解プロセスのモデル化を行い、大きな炭素質集合体から小さなPAHsが形成される仕組みを説明。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤い長方形以外の通常の反射星雲において、小さな中性PAHsからの青色発光（BL）は検出可能か？
• RQ2 破壊されると予想される過酷な宇宙空間のUV環境において、小さなPAHsの起源は何か？
• RQ3 BLと中赤外AEFsの空間的相関は、ISMにおける小さなPAHsの共存形成または処理を示唆するものか？
• RQ4 観測されたBL検出結果は、小さなPAHsが従来の予想よりも安定であるか、あるいは動的補充されていることを示唆するか？
• RQ5 大きな炭素質構造物（例：HAC粒子）から小さなPAHsが形成されると仮定すれば、反射星雲におけるBLおよびAEFsの観測を説明できるか？

主な発見

• 10,000 Kから23,000 Kの温度を示す星に照らされた4つの通常の反射星雲（Ced 112、Ced 201、NGC 5367、NGC 2023）で、約3750 Åの青色発光（BL）が検出された。
• Ced 112におけるBLの空間的分布は、芳香族発光特徴（AEFs）に起因するとされる中赤外発光構造と強く相関しており、小さなPAHsと大きなPAHsが同じ領域に共存していることを示している。
• 赤色の星雲や後AGB、炭素豊富な環境でない星雲でもBLが検出されたことから、小さな中性PAHsは赤い長方形に限定されず、銀河間物質に広く存在することが示された。
• 強力なUV放射場にさらされる環境にBLが存在することは、20個以下の炭素原子を有する小さなPAHsが光分解されると予想されるのと矛盾しており、動的形成メカニズムの存在を示唆している。
• 最も妥当な説明は、強力なUV放射の下で水素化アモルファスカーボン（HAC）粒子のような大きな炭素質構造物が光分解され、現地で小さなPAHsが形成されることである。
• これらの発見は、小さなPAHsが長期間にわたって自由に存在するのではなく、強い放射場領域で連続的に生成され破壊されていることを示しており、BLはこのプロセスの特定のトレーサーであると考えられる。