[論文レビュー] Interstellar Ices

A. C. A. Boogert, P. Ehrenfreund|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2003

Molecular Spectroscopy and Structure被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、星形成領域の前星に向かう赤外線分光観測を通じて、実験室でのシミュレーションと線路上の解析を用いて、宇宙氷に閉じ込められた約17種類の分子を同定している。主に表面反応によって生成されたH2O/CH3OH/CO2混合物と、気体相からの直接付着によって形成された純粋なCOの2つの主要な氷成分が明らかになったが、スペクトルの重なりによる影響や、複雑な分子の検出に向けた高度なデータ解析技術の必要性が指摘されている。

ABSTRACT

Currently ~36 different absorption bands have been detected in the infrared spectra of cold, dense interstellar and circumstellar environments. These are attributed to the vibrational transitions of ~17 different molecules frozen on dust grains. We review identification issues and summarize the techniques required to extract information on the physical and chemical evolution of these ices. Both laboratory simulations and line of sight studies are essential. Examples are given for ice bands observed toward high mass protostars, fields stars and recent work on ices in disks surrounding low mass protostars. A number of clear trends have emerged in recent years. One prominent ice component consists of an intimate mixture between H2O, CH3OH and CO2 molecules. Apparently a stable balance exists between low temperature hydrogenation and oxidation reactions on grain surfaces. In contrast, an equally prominent ice component, consisting almost entirely of CO, must have accreted directly from the gas phase. Thermal processing, i.e. evaporation and crystallization, proves to be readily traceable in both these ice components. The spectroscopic signatures of energetic processing by cosmic rays and high energy photons from nearby protostars are weaker and not as well understood. A fundamental limitation in detecting complex, energetically produced (and also some simple) species is blending of weak features in the spectra of protostars. Sophisticated techniques are required to extract information from blended features. We conclude with a summary of key goals for future research and prospects for observations of ices using future instrumentation, including SIRTF/IRS.

研究の動機と目的

• 赤外線分光法を用いて、星間氷に凍結した分子種を同定・特徴づけること。
• 寒冷で高密度な星間および周囲星間環境における氷の物理的・化学的進化を理解すること。
• 表面反応によって生成された氷成分と気体相からの直接付着によって形成された氷成分を区別すること。
• 複雑な分子の弱い、重複するスペクトル特徴の検出における制限を扱うこと。
• 今後の研究目標と観測機器のニーズを提示すること、特にSIRTF/IRSを含む。

提案手法

• 低温度条件下での星間氷の形成および処理を模擬する実験室シミュレーション。
• 高質量および低質量の前星に向かう線路上の赤外線吸収帯の解析。
• 熱処理（蒸発および結晶化）のスペクトル的痕跡を、氷成分の追跡に用いる。
• 複雑な分子の弱く重複するスペクトル特徴を解体するための高度な技術の適用。
• 高質量前星、場所の星、および前星円盤における氷の組成を比較する。
• 宇宙線や高エネルギー光子によるエネルギー処理の影響を評価する。これらの処理は、弱く理解度の低いスペクトル的特徴を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星間氷に存在する分子種は何か、そしてそれらはどのように赤外線吸収帯によって同定されるか？
• RQ2 H2O/CH3OH/CO2混合物と純粋なCO氷という2つの主要な氷成分の形成を支配するプロセスは何か？
• RQ3 熱的およびエネルギー的プロセス（例：蒸発、結晶化、宇宙線）は、氷の組成と検出可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 エネルギー的に生成された複雑な分子が潜在的に存在するにもかかわらず、なぜそれらを検出することが難しいのか？
• RQ5 現在の氷分光法における制限を克服するために、どのような今後の観測能力が必要とされるか？

主な発見

• 36個の明確な赤外線吸収帯が検出され、それらは星間氷に約17種類の異なる分子に起因するとされている。
• H2O、CH3OH、CO2を豊富に含む安定した氷成分は、ほこり粒子表面での低温下での水素化および酸化反応を示している。
• 2番目の顕著な成分はCOが主成分であり、化学的処理を経ずに気体相から直接付着した可能性が高い。
• 蒸発や結晶化を含む熱処理は、両方の氷成分に明確なスペクトル的痕跡を残す。
• 宇宙線や高エネルギー光子によるエネルギー処理は、弱く理解度の低いスペクトル的特徴を生じる。
• 前星スペクトルにおける弱い特徴の重なりは、複雑な分子の検出を妨げる主要な障壁であり、洗練されたデータ解析技術の導入が不可欠である。