[論文レビュー] Complex organic molecules in protostellar environments in the SKA era

C. Codella, L. Podio+11 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2014

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、低周波数（1–15 GHz）のスペクトル線を観測することで、ミリ波帯のサーベイに見られる混信や感度の限界を克服し、プロト星環境における複雑な有機分子（COMs）の検出および特徴付けを、史上類を見ないほど高精度に可能にするのが、エーソン・キロメーター・アレイ（SKA）であると主張している。本研究では、低励起状態で明るいCOM遷移線がセントメーター帯に著しく密集していること、ならびにメチルホルムアルデヒドやグリコールアルデヒドなどの分子をホット・コリノやショック領域で高分解能イメージングおよび濃度測定可能であることを示している。

ABSTRACT

Molecular complexity builds up at each step of the Sun-like star formation process, starting from simple molecules and ending up in large polyatomic species. Complex organic molecules (COMs; such as methyl formate, HCOOCH$_3$, dymethyl ether, CH$_3$OCH$_3$, formamide, NH$_2$CHO, or glycoaldehyde, HCOCH$_2$OH) are formed in all the components of the star formation recipe (e.g. pre-stellar cores, hot-corinos, circumstellar disks, shocks induced by fast jets), due to ice grain mantle sublimation or sputtering as well as gas-phase reactions. Understanding in great detail the involved processes is likely the only way to predict the ultimate molecular complexity reached in the ISM, as the detection of large molecules is increasingly more difficult with the increase of the number of atoms constituting them. Thanks to the recent spectacular progress of astronomical observations, due to the Herschel (sub-mm and IR), IRAM and SMA (mm and sub-mm), and NRAO (cm) telescopes, an enormous activity is being developed in the field of Astrochemistry, extending from astronomical observatories to chemical laboratories. We are involved in several observational projects providing unbiased spectral surveys (in the 80-300 and 500-2000 GHz ranges) with unprecedented sensitivity of templates of dense cores and protostars. Forests of COM lines have been detected. In this chapter we will focus on the chemistry of both cold prestellar cores and hot shocked regions, (i) reviewing results and open questions provided by mm-FIR observations, and (ii) showing the need of carrying on the observations of COMs at lower frequencies, where SKA will operate. We will also emphasize the importance of analysing the spectra by the light of the experimental studies performed by our team, who is investigating the chemical effects induced by ionising radiation bombarding astrophysically relevant ices.

研究の動機と目的

• ミリ波帯／サブミリ波帯観測の限界、特に線の混信や感度不足により、複雑な有機分子（COMs）の検出が困難であるという問題に取り組む。
• エーソン・キロメーター・アレイ（SKA）を用いたセントメーター波長帯（1–15 GHz）でのCOM観測が、線密度と信号対雑音比の両方で顕著に向上することを示し、科学的利点を提示する。
• 今後の観測キャンペーンにおいて低周波数帯を標的とすることで、プロト星環境におけるCOMの物理的状態および濃度を解明する必要性を支援する。
• 氷の放射線照射実験結果と天体観測を結びつけ、氷被膜がプレバイオティック分子の形成に果たす役割を強調する。
• 特に拡張された前星核やコンパクトなホット・コリノにおいて、サブアーキセコンド解像度と高感度でCOMを検出・イメージングできるSKAの独自の能力を提唱する。

提案手法

• 局所熱力学的平衡（LTE）条件下で、GILDAS-Weedsソフトウェアを用いてSKA1-MIDバンド5（5–14 GHz）のスペクトルをシミュレートする。
• ホット・コリノに典型的な物理パラメータ（T_kin = 250 K、それぞれの分子の核密度が10¹⁸ cm⁻²および10¹⁷ cm⁻²）を用いて、メチルホルムアルデヒド（HCOOCH₃）およびグリコールアルデヒド（HCOCH₂OH）の放射線線をモデル化する。
• 1–15 GHz帯における線密度を推定し、80–300 GHz帯との比較を通じてスペクトルの明瞭さと遷移線の濃度を定量する。
• NRAO 100m GBT PRIMOSレガシープロジェクトのデータを低周波数スペクトルサーベイのベンチマークとして用い、Sgr B2(N)で多数のCOMが検出されたことを示している。
• SKA1を用いて約35 masの分解能を達成する高分解能インターオンメトリックイメージングを適用し、ホット・コリノやショックフロントなど、コンパクトで高表面輝度を持つCOM放射領域を解像する。
• 冷たい環境およびショック環境におけるCOM生成経路を説明するため、イオン化放射線が氷混合物（例：CH₃OH、H₂O、CO）に与える影響に関する実験的アストロフィジックスの結果を統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜミリ波帯サーベイは、プロト星環境における最も複雑な有機分子の検出・特徴付けに不十分なのであるか？
• RQ2 セントメーター帯（1–15 GHz）とミリ波帯（80–300 GHz）の両方において、COMの低励起状態遷移線の密度はどのように比較されるか？
• RQ3 エーソン・キロメーター・アレイ（SKA）は、ホット・コリノやショック領域のようなコンパクトで高表面輝度の領域におけるCOMの解像および濃度測定に、どのような利点を提供するか？
• RQ4 照射された氷アナログに関する実験的結果は、星間氷やガス中で未検出のCOMの同定および濃度推定にどの程度寄与できるか？
• RQ5 SKAの感度と分解能は、拡張した放射が予想される前星核におけるアミノ酸前駆体（例：グリシン）の検出を可能にするか？

主な発見

• 1–15 GHz帯には、明るく低励起状態のメチルホルムアルデヒドおよびグリコールアルデヒドの遷移線が約1 GHzあたり1本程度存在し、80–300 GHz帯の10倍も密集している。
• SKA1-MIDがバンド5（5–14 GHz）で運用すれば、合成ビーム分解能が約35 masに達し、ホット・コリノやショックフロントのようなコンパクトなCOM放射領域をサブアーキセコンド解像で観測可能となる。
• NRAO 100m GBT PRIMOSレガシープロジェクトは、Sgr B2(N)で多数のCOMが検出されたことから、低周波数サーベイの有効性をすでに実証しており、SKAのアプローチを裏付けている。
• 低周波数観測はミリ波観測よりも混信が少ない。これは、軽量分子の低エネルギー遷移線が高周波数に位置するため、セントメーター帯は比較的クリアな状態になるからである。
• SKAの高感度により、グリシンなどのアミノ酸前駆体を含む、前星核における拡張した低表面輝度のCOM放射を検出可能となる。
• 実験的アストロフィジックスの結果から、氷被膜（例：H₂O、CH₃OH、CO）にイオン化放射線を照射すると、複雑な有機分子や断片が生成され、氷被膜がプレバイオティック化学の貯蔵庫である可能性を支持する。