[論文レビュー] High sensitivity maps of molecular ions in L1544: I. Deuteration of N2H+ and HCO+ and first evidence of N2D+ depletion

E. Redaelli, L. Bizzocchi+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2019

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 55被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、プレスターラルコアL1544におけるN₂H⁺、N₂D⁺、HCO⁺およびそのデュテリウム同素体の複数の回転遷移について、高感度で非L谷（non-LTE）放射線輸送解析を実施した。化学モデルを用いて励起状態を制約することで、N₂H⁺のD/H比が0.26⁺⁰.¹⁵₋₀.¹⁴、HCO⁺のD/H比が0.035⁺⁰.⁰¹⁵₋₀.⁰¹²であると報告した。また、コア中心部におけるN₂D⁺の枯渇（depletion）の観測的証拠を初めて得た。これは化学モデルの予測を確認するものであり、初期星形成におけるイオン化度推定に重要な制約を与える。

ABSTRACT

Context. The deuterium fraction in low-mass prestellar cores is a good diagnostic indicator of the initial phases of star formations, and it is also a fundamental quantity to infer the ionisation degree in these objects. Aims. With the analysis of multiple transitions of $ m N_2H^+$, $ m N_2D^+$, $ m HC^{18}O^+$ and $ m DCO^+$ we are able to determine the molecular column density maps and the deuterium fraction in $ m N_2H^+$ and $ m HCO^+$ toward the prototypical prestellar core L1544. This is the preliminary step to derive the ionisation degree in the source. Methods. We use a non-local thermodynamic equilibrium (non-LTE) radiative transfer code, combined with the molecular abundances derived from a chemical model, to infer the excitation conditions of all the observed transitions, which allows us to derive reliable maps of each molecule's column density. The ratio between the column density of a deuterated species and its non-deuterated counterpart gives the searched deuteration level. Results. The non-LTE analysis confirms that, for the analysed molecules, higher-J transitions are characterised by excitation temperatures $\approx 1-2\,$K lower than the lower-J ones. The chemical model that provides the best fit to the observational data predict the depletion of $ m N_2H^+$ and to a lesser extent of $ m N_2D^+$ in the innermost region. The peak values for the deuterium fraction that we find are $\mathrm{D/H_{N_2H^+}} = 0.26^{+0.15}_{-0.14}$ and $\mathrm{D/H_{HCO^+}} = 0.035^{+0.015}_{-0.012}$, in good agreement with previous estimates in the source.

研究の動機と目的

• 高感度観測を用いて、プレスターラルコアL1544における分子イオンおよびそのデュテリウム同素体の空間分解された数密度マップを導出すること。
• 非L谷放射線輸送と化学モデルの制約を組み合わせることで、N₂H⁺およびHCO⁺のデュテリウム分率をより高い精度で決定すること。
• 主な分子種、特にコア中心部におけるN₂D⁺の挙動に注目して、励起状態および空間分布を調査すること。
• 化学モデルの予測であるN₂D⁺の枯渇について、観測的証拠を提供し、イオン化度推定へのその影響を評価すること。
• 低質量星形成における空間分解されたイオン化度マッピングの基盤を築くために、分子豊度および励起状態を特徴付けること。

提案手法

• IRAM 30 m望遠鏡を用いて、N₂H⁺、N₂D⁺、HCO⁺、HC¹⁸O⁺、DCO⁺の複数の回転遷移を高感度で単独アンテナ観測した。
• 非L谷放射線輸送コードを用いて、観測された遷移の励起状態をモデル化し、非熱的励起および準位分布を考慮した。
• 化学モデルの出力を用いて分子豊度を放射線輸送コードの入力として制約し、数密度推定の信頼性を向上させた。
• 各遷移ごとに励起温度を導出し、高J遷移では低J遷移よりも低い励起温度（約1–2 K）を示した。
• デュテリウム分率（D/H）は、デュテリウム同素体の数密度を非デュテリウム同素体の数密度で割ったものとして計算し、観測およびモデル誤差からの不確実性を伝搬させた。
• HC¹⁸O⁺の選択的光分解を考慮した。これは自己遮蔽が低いことからコア内部に深く浸透するため、空間分布に影響を与える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 L1544におけるN₂H⁺、N₂D⁺、HCO⁺およびそのデュテリウム同素体の空間分解された数密度分布はどのように分布しているか？
• RQ2 N₂H⁺およびHCO⁺のデュテリウム分率はコア内でどのように変化し、イオン化度および化学的進化に何を示唆しているか？
• RQ3 化学モデルの予測通り、L1544の中心部でN₂D⁺が枯渇しているか？ これはコアの物理的・化学的構造にどのような意味を持つのか？
• RQ4 非L谷効果および遷移ごとの励起温度の変化は、推定された分子豊度およびデュテリウム分率にどの程度影響を与えるか？
• RQ5 HC¹⁸O⁺の選択的光分解は、HCO⁺と比較して観測された数密度分布にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 非L谷解析により、L1544における分子イオンの高J遷移は、約1–2 Kの励起温度を示すことが確認された。これは低J遷移よりも低い。
• 最良の適合化学モデルは、L1544の中心部でN₂H⁺の著しい枯渇およびN₂D⁺のやや低い枯渇を予測しており、プレスターラルコアにおけるN₂D⁺枯渇の観測的証拠を初めて得た。
• N₂H⁺のデュテリウム分率はD/H = 0.26⁺⁰.¹⁵₋₀.¹⁴として測定され、以前の推定と一致しており、コア内部で強いデュテリウム分率が生じていることを示している。
• HCO⁺のデュテリウム分率はD/H = 0.035⁺⁰.⁰¹⁵₋₀.⁰¹²であり、N₂H⁺に比べて低いデュテリウム分率を示しており、凍結や枯渇にさらされやすいことを反映している。
• D/Hマップは、ダスト連続スペクトルピークでピークを示し、N₂H⁺の方がHCO⁺よりも急速にデュテリウム分率が低下している。これは、凍結挙動およびデュテリウム同素体の空間分布の違いに起因する。
• N₂H⁺およびN₂D⁺のモデル予測豊度と観測値との乖離は、観測値に一致させるために予測豊度を最大300%まで増加させる必要があり、現在の化学モデルの限界または追加の物理的プロセスの存在を示唆している。