[論文レビュー] Deuterated molecular hydrogen in the Galactic ISM. New observations along seven translucent sightlines

S. Lacour, M. André+7 more|ArXiv.org|Oct 1, 2004

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 56被引用数 37

ひとこと要約

本研究では、中程度から高い減光（A_V > 1 mag）を示す7つの銀河的半透明な視線方向における、重水素を含む分子水素（HD）の新しいFUSE観測を報告する。HD線の飽和を補正するために、高分解能の光学的CHおよびK Iデータを用いる。宇宙間のD/H比に対するきつい下限値（3.7×10⁻⁷～4.3×10⁻⁶）を導出し、HD/H₂比とH₂分子分率の強い相関が見られる。これは、高減光領域におけるD/H比の代理指標としてHDが利用可能である可能性を示唆する。

ABSTRACT

We present column density measurements of the HD molecule in the interstellar gas toward 17 Galactic stars. The values for the seven most heavily reddened sightlines, with E(B-V) = 0.38-0.72, are derived from observations with the Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer (FUSE). The other ten values are from a reanalysis of spectra obtained with Copernicus. In all cases, high-resolution ground-based observations of KI and/or the CH molecule were used to constrain the gas velocity structure and to correct for saturation effects. Comparisons of the column densities HD, CH, CN, and KI in these 17 sightlines indicate that HD is most tightly correlated with CH. Stringent lower limits to the interstellar D/H ratio, derived from the HD/2H2 ratio, range from 3.7 10^(-7) to 4.3 10^(-6). Our results also suggest that the HD/H2 ratio increases with the molecular fraction f(H2) and that the interstellar D/H ratio might be obtained from HD by probing clouds with f(H2) = 1. Finally, we note an apparent relationship between the molecular fractions of hydrogen and deuterium.

研究の動機と目的

• 原子状の重水素が重なって検出不能となるほど高減光の銀河的視線方向における、宇宙間の重水素を含む分子水素（HD）の縦断密度を測定すること。
• 高分解能の光学的CHおよびK Iデータを用いて、速度構造をモデル化し、HD線における飽和を補正することで、D/H比の決定精度を向上させること。
• HD/H₂比とH₂分子分率（f(H₂)）の関係を調査し、HDが原子状Dが検出不能な領域におけるD/H比の信頼できる代理指標として機能するかどうかを評価すること。
• FUSEと再分析されたコペルニクスデータを組み合わせ、17の視線方向でD/H比を制約し、特に最も高減光の標的を焦点にすること。
• HDおよびH₂分子分率の相関が、宇宙線イオン化率および半透明雲におけるISM化学に与える意味を検討すること。

提案手法

• E(B-V) = 0.38–0.72 の7つの早期型の星を標的として、遠紫外（FUV）スペクトルをFUSE衛星を用いてHDの観測を実施した。
• 地上の高分解能光学スペクトルを用いてCHおよびK Iの速度構造をマッピングし、HD吸収線における飽和効果を補正した。
• 成長曲線法およびプロファイルフィッティング法を併用してHD縦断密度を導出し、速度分解能を持つCHおよびK Iデータに基づく飽和補正を実施した。
• 新規のFUSEデータと再分析されたコペルニクススペクトルを統合し、17の視線方向にまでサンプルを拡大し、HD、CH、CN、K Iの縦断密度を統計的に比較可能とした。
• HD/H₂比をH₂分子分率（f(H₂)）の関数としてモデル化し、原子状Dが検出不能な領域におけるD/H比の代理指標としてのHDの可能性を評価した。
• Le Petitら（2002）のシミュレーションを用いて、観測された傾向を解釈し、特にHD生成が宇宙線イオン化率および自己遮蔽に依存する点を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原子状の重水素が重なって検出不能となる高減光の銀河的視線方向における、HDの縦断密度は何か？
• RQ2 多成分の宇宙間ガスにおいて、CHおよびK Iといった高分解能光学トレーサーを用いて、HD線の飽和効果をどのように補正できるか？
• RQ3 半透明雲におけるHD/H₂比とH₂分子分率（f(H₂)）との相関はどの程度強いか？
• RQ4 観測されたHD/H₂比は、高減光領域における宇宙間D/H比の信頼できる代理指標として機能できるか？
• RQ5 HD、H₂、CHの縦断密度の相関が、宇宙線イオン化率およびISM化学にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 本研究では、最も高減光の7つの視線方向において、宇宙間D/H比のきつい下限値（3.7×10⁻⁷～4.3×10⁻⁶）を導出した。
• HD/H₂比とH₂分子分率（f(H₂)）との間に強い相関が観測され、f(H₂)が増加するにつれてHD/H₂比も増加する傾向が見られ、HD自己遮蔽の理論的モデルと整合的である。
• HD縦断密度はCH縦断密度と最も強く相関しており、CHがこれらの視線方向における速度構造および縦断密度の強固なトレーサーである可能性を示唆している。
• f(HD)とf(H₂)の観測傾向から、HDはH₂分率が高い領域、特にf(H₂) ≈ 1の雲においてD/H比を推定するための手段として利用可能である可能性がある。
• 結果は、HD/H₂比が高減光・高分子分率雲においてD/H比に近づくという仮説を支持しており、HDは銀河系ISMにおけるD/H比の間接的プローブとして有効であることを示唆する。
• H₂とHDの分子分率の相関から、HD生成の変動が宇宙線イオン化率や雲の構造の不均一性を反映している可能性があり、化学モデルの予測と一致する。