[論文レビュー] Deuterium chemistry in the Orion Bar PDR - "warm" chemistry starring CH2D+

Bérengère Parise, S. Leurini+4 more|CaltechAUTHORS (California Institute of Technology)|Sep 25, 2009

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 51被引用数 46

ひとこと要約

本研究は、アペックスおよびイ.RAM 30m電波望遠鏡を用いた観測により、オリオン・バーの光分解領域（PDR）における温かいガス内の重水素分画を調査した。CH₂D⁺を駆動とするガス相反応が、氷被覆の蒸発よりもDCN、DCO⁺、HDCOにおける高い重水素分画比を説明できることを示し、PDR環境における温かい重水素分画反応の観測的証拠を初めて得た。

ABSTRACT

High levels of deuterium fractionation in gas-phase molecules are usually associated with cold regions, such as prestellar cores. Significant fractionation ratios are also observed in hot environments such as hot cores or hot corinos, where they are believed to be produced by the evaporation of the icy mantles surrounding dust grains, and thus are remnants of a previous cold (either gas-phase or grain surface) chemistry. The recent detection of DCN towards the Orion Bar, in a clump at a characteristic temperature of 70K, has shown that high deuterium fractionation can also be detected in PDRs. The Orion Bar clumps thus appear as a good environment for the observational study of deuterium fractionation in luke-warm gas, allowing to validate chemistry models in a different temperature range, where dominating fractionation processes are predicted to be different than in cold gas (< 20K). We aimed at studying observationally in detail the chemistry at work in the Orion Bar PDR, to understand if DCN is produced by ice mantle evaporation, or is the result of warm gas-phase chemistry, involving the CH2D+ precursor ion (which survives higher temperatures than the usual H2D+ precursor). Using the APEX and the IRAM 30m telescopes, we targetted selected deuterated species towards two clumps in the Orion Bar. We confirmed the detection of DCN and detected two new deuterated molecules (DCO+ and HDCO) towards one clump in the Orion Bar PDR. Significant deuterium fractionations are found for HCN and H2CO, but a low fractionation in HCO+. We also give upper limits for other molecules relevant for the deuterium chemistry. (...) We show evidence that warm deuterium chemistry driven by CH2D+ is at work in the clumps.

研究の動機と目的

• オリオン・バーPDRにおける高い重水素分画比の起源を特定すること、これは温度が約50–70 Kのやや温かい環境である。
• DCN、DCO⁺、HDCOのような重水素化分子が、氷被覆の蒸発によるものか、あるいは上昇した温度での活性なガス相反応によるものかを検証すること。
• CH₂D⁺が温かいPDR条件下で主要な重水素キャリアーとして果たす役割を評価し、冷たい領域における支配的であるH₂D⁺と対比すること。
• 熱的蒸発による氷被覆の放出を仮定せず、純粋なガス相反応モデルが観測された分画比を説明できるかを評価すること。
• 観測された濃度とモデル予測を比較することで、クラスタの物理的条件（温度、密度）を制約すること。

提案手法

• 観測はピコ・ヴェレタでのアペックスおよびイ.RAM 30m電波望遠鏡を用い、オリオン・バーPDRの2つの高密度クラスタにおける重水素化種の回転遷移を標的とした。
• DCN、DCO⁺、HDCO、および他の重水素化分子のスペクトル線が検出されたか、上界限界が設定され、線強度を用いて核密度および分率濃度が導出された。
• 観測された重水素分画比（例：DCN/HCN、DCO⁺/HCO⁺）を、さまざまな温度および密度における定常状態のガス相化学モデルの予測と比較した。
• モデル比較には「saa」と「theo」の両方の化学ネットワークが含まれ、低金属量および温かいコア条件に合わせて元素の濃度を調整した。
• 非検出種（例：C₂D、DNC、HDO）の上界限界は、温度を制約するために用いられ、HDOの非検出はT > 40–50 Kに対して特に感受的であった。
• クラスタの物理的構造は直接モデル化されていないが、モデル比較およびNH₃のような間接的プローブから温度推定値が得られたが、これらはクラスタ内部温度の推定には信頼性が低いとされる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オリオン・バーPDRで観測された高い分画比は、氷被覆の熱的蒸発によるものか、それとも活性なガス相反応によるものか？
• RQ2 温かいPDRガスにおける主要な重水素キャリアーはH₂D⁺かCH₂D⁺か？冷たいプレスターラルコアと比べてどう異なるか？
• RQ3 約50 Kでの純粋なガス相化学モデルは、DCN、DCO⁺、HDCOの観測濃度比を再現できるか？
• RQ4 HDOおよびDNCの非検出は、クラスタ内の温度および物理的条件をどの程度制約するか？
• RQ5 異なる元素濃度（低金属量対温かいコア）を仮定したモデルの予測と、観測された分画レベルを比較するとどうなるか？

主な発見

• DCNは2つのクラスタで確認され、1つのクラスタでDCO⁺およびHDCOの検出が得られ、温かいガスにおける活性な重水素分画反応が進行していることを示した。
• HCNおよびH₂COにおける観測されたD/H比は高く（顕著な分画）、一方HCO⁺は低分画であるため、CH₂D⁺を駆動とする化学反応と整合的である。
• HDOの非検出は、40–50 K以上の温度でのモデル予測と一致しており、ガス相水の主な供給源としての熱的蒸発は支配的ではないことを示唆している。
• C₂DおよびDNCの上界限界は制約力が弱いが、HDOの上界限界は低温度または蒸発支配のシナリオを強く否定する。
• モデル比較により、T ~ 50 Kにおける純粋なガス相化学モデルと良好な定性的な一致が得られ、CH₂D⁺がこの温かいPDR環境における主要な重水素キャリアーであることを支持した。
• 結果から、オリオン・バーPDRにおける重水素分画は、冷たい前駆体からの「化石的」化学反応や氷の蒸発ではなく、温かいガス相反応によって最もよく説明できることが示された。