[論文レビュー] Detection of D2H+ in the Dense Interstellar Medium

C. Vastel, Phillips, T. G.+1 more|Mar 22, 2004

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、カリフォルニア工科大学サブミリ波望遠鏡（CSO）を用いて、低温・高密度なプレスターラルコア16293Eにおいて、D2H+のパラ状態基底状態遷移（692 GHz）を初の天文的検出を報告している。観測されたD2H+の同定濃度は、H2D+と同等であり、従来のモデルに含まれていなかった多重デュテリウム化H3+同位体が、寒冷・高密度な星間領域における高いデュテリウム比を説明することを確認している。

ABSTRACT

The 692 GHz para ground-state line of D2H+ has been detected at the Caltech Submillimeter Observatory towards the pre-stellar core 16293E. The derived D2H+ abundance is comparable to that of H2D+, as determined by observations of the 372 GHz line of ortho-H2D+. This is an observational verification of recent theoretical predictions (Roberts, Herbst & Millar 2003), developed to explain the large deuteration ratios observed in cold, high-density regions of the interstellar medium associated with low mass pre-stellar cores and protostars. This detection confirms expectations that the multiply deuterated forms of H3+ were missing factors of earlier models. The inclusion of D2H+ and D3+ in the models leads to predictions of higher values of the D/H ratio in the gas phase.

研究の動機と目的

• 低温・高密度なプレスターラルコアにおいて、デュテリウム化が極めて顕著になると予想される環境で、D2H+を宇宙空間で検出すること。
• COが枯渇した寒冷領域において、D2H+とD3+が豊富に存在すると予測する理論モデルを検証すること。
• 化学ネットワークに多重デュテリウム化H3+種を組み込むことで、観測されたデュテリウム比の不一致が解消されることを検証すること。
• D2H+/H2D+濃度比が、プレスターラルコアにおける極端なCO枯渇および低温化学の診断指標として成立することを確立すること。

提案手法

• 観測はカリフォルニア工科大学サブミリ波望遠鏡（CSO）で実施され、345 GHzおよび650 GHz受信機を用いて、691.66 GHzにおけるパラ-D2H+の1 10-1 01遷移を検出した。
• 同時に、H2D+の372.42 GHzにおけるオルト状態遷移も観測し、濃度を直接比較した。
• ビーム効率と校正誤差は、惑星観測（火星および土星）を用いて推定され、一般的な校正誤差は約24%であった。
• 源の位置は、赤経α2000 = 16h32m29.4s、赤緯δ2000 = -24°28′52.6″のDCO+ピークに一致させ、最も枯渇・冷却された領域に感度を集中させた。
• 励起温度および光学厚さ補正を実施し、源サイズがビーム（11″–20″）と同等かそれ以上であると仮定した。692 GHzにおけるビーム効率の推定値は約60%であった。
• Dust連続スペクトル（1.3 mm）と12 Kのダスト温度を用い、質量吸収係数0.005 cm²/g⁻¹を仮定してH2の総柱密度（約5×10²³ cm⁻²）を推定し、濃度を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 692 GHzにおけるD2H+のパラ状態基底状態遷移は、寒冷・高密度なプレスターラルコアで検出可能か？
• RQ2 極度のCO枯渇領域におけるD2H+濃度は、H2D+と比べてどの程度か？
• RQ3 観測されたD2H+/H2D+比は、D2H+およびD3+を化学ネットワークに含む理論モデルを支持するか？
• RQ4 コア内でのCO枯渇が、H3+およびその同位体のデュテリウム化に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ5 H2D+およびD2H+の観測されたオルト・パラ比は、低温下での非熱的励起と整合的か？

主な発見

• プレスターラルコア16293Eに向けて、692 GHzにおけるパラ-D2H+遷移が成功裏に検出され、これはD2H+の初の天文的検出を意味する。
• 導出されたD2H+濃度は、H2D+と同等であり、10–15 Kで約10⁻¹⁰から10⁻¹¹の範囲にあり、理論的予測と整合的である。
• D2H+/H2D+濃度比はおおよそ1に近く、D2H+およびD3+を化学ネットワークに含むモデルを支持する。
• この検出は、従来のモデルで欠落していた多重デュテリウム化H3+種の組み込みが、寒冷・CO枯渇領域における高いデュテリウム比を説明するために不可欠であることを確認している。
• 16293Eにおける観測されたCO枯渇度（7倍）は、モデルが要請する1000倍以上の枯渇度（>1000倍）よりはるかに小さいが、コア内の非均一性が局所的なデュテリウム化効率に影響を与えている可能性を示唆している。
• これらの結果は、寒冷・高密度コアにおけるデュテリウム分馏の根本的プロセスが、今や十分に理解されており、D2H+およびD3+が観測された高いデュテリウム比の中心的役割を果たしていることを示している。