[論文レビュー] Can Dust Explain Variations in the D/H Ratio?

B. T. Draine|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2004

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、星間物質におけるD/H比の変動が主に星間ダストに重水素が吸着されること、特に多環芳香族炭化水素（PAHs）に由来すると提案している。気体-ダスト反応は炭素含有ダストを強く重水素化することができ、ダストの破壊によって重水素が気体中に放出され、Fe、Si、Tiなどの強力に枯渇した要素の気体相における豊度とD/H比の正の相関を予測する。この予測は最近の観測データと一致する。

ABSTRACT

The D/H ratio in interstellar gas varies on scales of a few hundred pc in the local Milky Way, with D/H values ranging from ~7 ppm to ~22 ppm. The reduction in D/H relative to the primordial value of D/H (~ 26 ppm) is usually attributed to "astration" -- conversion of D into other elements by nuclear fusion in stars. However, it is shown here that astration has difficulty accounting for the observations because the expected associated variations in O/H are not seen. The lower D/H values are instead likely due to "depletion" of the D onto dust grains. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are a possible repository for the missing D, and it appears possible for gas-grain reactions to achieve extreme deuteration of carbonaceous grain material. Grain destruction will release D from the grains; the gas phase abundance of D should therefore be positively correlated with the gas phase abundances of other elements that exhibit strong depletions, such as Mg, Si, Ti, and Fe, which also will be returned to the gas by grain destruction.

研究の動機と目的

• 太陽の数百年パーセク圏内における星間D/H比の4倍の変動（5–22 ppm）を説明すること。
• 星間物質における酸素の比変動が見られないことと整合しないため、従来の星間物質のアストラクション差異に基づく説明を疑問視すること。
• 重水素がダスト粒子、特にPAHsに閉じ込められることを提案し、D/H比の変動を説明する代替メカニズムとする。
• ダストの破壊が重水素を気体相に放出するため、気体相におけるD/H比と枯渇度の高い元素（例：Fe、Si、Ti）の豊度との正の相関を予測すること。
• Stardustミッションで回収された宇宙ダストの実験的分析を通じて、仮説を検証可能なものとする。

提案手法

• 冷却されたH I雲におけるD原子とPAHカチオンの気体-ダスト反応をモデル化し、重水素化の効率を評価する。
• ダストへのDの気体相からの枯渇に要する時間スケールを推定し、約2 Myrのスケールで枯渇が起こることを示した。
• 化学的進化モデルを用いて、アストラクションシナリオ下でのO/HとD/Hの傾向を比較し、観測結果と一致しないことを示した。
• 14本の視線方向からの観測データを用いて、アストラクション仮説のもとで予想されるD/HとO/Hの逆相関が観測されないことを分析した。
• 星間ダスト粒子、特に炭素含有成分はD/H比が最大で約0.3に達する可能性があり、M17のような領域ではPAHsがD/H ≈ 0.36に達する可能性があると予測した。
• Stardustミッションのサンプルを用いた実験的分析を提案し、ダスト中のD/H比を測定することで、重水素化仮説を検証することを提唱した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ近接する視線方向ではD/H比が4倍に変動するが、それに応じたO/H比の変動は見られないのか？
• RQ2 特にPAHsを含む星間ダスト粒子の重水素化が、気体相における観測されたD/H比の変動を説明できるか？
• RQ3 ダストの破壊が重水素の供給源であると仮定した場合、気体相におけるD/H比と難揮発性元素（例：Fe、Si、Ti）の豊度との相関関係は予想されるか？
• RQ4 気体相反応によるPAHsの重水素化が、観測された気体相におけるD/H比の枯渇を説明するのに十分なD/H比に達するか？
• RQ5 インタークリスタル・ダスト粒子（IDPs）およびStardustサンプルで測定されたD/H比は、極めて重水素化された星間ダストの仮説を支持するか？

主な発見

• 星間視線方向におけるD/H比とO/H比の間の逆相関が観測されないことは、D/H比の変動が差異のある星間物質のアストラクションによるという仮説を強く反証する。
• 気体-ダスト反応によるPAHsの重水素化は、冷却されたH I雲において約2 MyrのスケールでDを気体相から枯渇させることができ、観測されたD/H比の変動を説明するのに十分である。
• 気体相におけるD/H比と枯渇度の高い元素（例：Fe、Si、Ti）の豊度との正の相関が予測されているが、最近のデータはD/HとFe/Hの間で顕著な相関を示しており、これを支持している。
• 多環芳香族炭化水素（PAHs）は重水素の貯蔵庫として適しているとされ、M17のような領域ではPAHsのD/H比が最大で約0.36に達すると推定されており、気体相におけるD/H比の枯渇を説明するのに必要な水準と整合的である。
• Stardustミッションで捕獲された星間ダスト粒子の全体のD/H比は約0.06と予想され、芳香族成分はD/H ≈ 0.3に達する可能性がある。これは仮説の直接的な検証を可能にする。
• StardustサンプルにおけるD/H比の実験的測定は、星間ダストが極めて重水素化されているかどうかを確認でき、提案されたメカニズムの重要な検証となる。