[論文レビュー] ISO-SWS observations of interstellar solid 13CO2: heated ice and the Galactic 12C/13C abundance ratio

A. C. A. Boogert, P. Ehrenfreund+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 1999

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、13個の銀河的物質の線路を通じて、ISO-SWS赤外分光法を用いて固体状態の13CO2氷を分析し、高質量原始星環境における熱的処理の影響を4.382 µmの狭帯域構造として明らかにした。固体状態からの最初の銀河的12C/13C比の測定値（69±15）が報告され、気体相の測定値と整合的であり、宇宙間CO2の化学的起源の違いを示唆している。

ABSTRACT

We present observations of the stretching mode of 13CO2 ice along 13 lines of sight in the Galaxy, using the Short Wavelength Spectrometer on board of the Infrared Space Observatory. Remarkable variations are seen in the absorption band profile in the different lines of sight. The main feature is attributed to 13CO2 mixed with polar molecules such as H2O, and CH3OH. Several high-mass protostars show an additional narrow substructure at 4.382 um, which we attribute to a polar CO2 ice, that experienced heating. This heating effect is sustained by a good correlation of the strength of the substructure with dust and CO gas temperatures along the line of sight, and anti-correlation with ice abundances. Thus, our main conclusion is that interstellar CO2 ices around luminous protostars are subjected to, and altered by, thermal processing and that it may reflect the evolutionary stage of the nearby protostar. In contrast, the ices around low mass protostars and in a quiescent cloud in our sample do not show signs of thermal processing. Furthermore, we determine for the first time the Galactic 12C/13C ratio from the solid state. The 12CO2/13CO2 ratio for the local ISM (69+/-15), as well as the dependence on Galacto-centric radius, are in good agreement with gas phase (C18O, H2CO) studies. For the few individual objects for which gas phase values are available, the 12C/13C ratios derived from CO2 tend to be higher compared to CO studies (albeit with 2.5 sigma significance only). We discuss the implications of this possible difference for the chemical origin of interstellar CO2.

研究の動機と目的

• 異なる星形成環境における宇宙間CO2氷の物理的・化学的処理を調査すること。
• 固体状態のCO2氷吸収特徴を用いて、銀河的12C/13C比を決定すること。
• 熱的処理が原始星周囲の氷の組成をどのように変化させるかを評価すること。
• 固体状態の12C/13C比を気体相の測定値と比較し、化学的含意を評価すること。

提案手法

• 赤外宇宙望遠鏡（ISO）搭載の短波長分光器（SWS）を用いた13CO2氷のストレッチングモード吸収の観測。
• 高質量および低質量原始星、および静止状態の雲を含む、さまざまな宇宙的対象物への13本の線路を通じた吸収バンドプロファイルの分析。
• 高質量原始星の線路において、4.382 µmに狭帯域構造が検出され、これは熱的に処理された極性CO2氷相であると解釈された。
• この構造の強度とダストおよびCOガス温度の相関関係、および氷の豊度との反比例関係を評価し、熱的処理の影響を推定した。
• 既知の同位体比分布を仮定して、13CO2バンドの深さから12CO2/13CO2比を導出した。
• 得られた固体状態の12C/13C比を、C18OおよびH2CO観測から得られた気体相の値と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱的処理は原始星環境における宇宙間CO2氷の構造および分光的特徴を変化させるか？
• RQ2 固体状態のCO2氷観測から導かれる銀河的12C/13C比は何か？
• RQ3 固体状態の12C/13C比は、C18O や H2CO などの気体相分子から得られる比とどのように比較できるか？
• RQ4 4.382 µmのサブストラクチャアの強度と、線路に沿ったダストおよびCOガス温度との間に相関があるか？
• RQ5 固体状態と気体相の12C/13C比の差異は、宇宙間CO2の化学的起源にどのような含意を持つのか？

主な発見

• 4.382 µmの狭帯域構造は、高質量原始星の線路でのみ13CO2氷吸収バンドに検出され、極性CO2氷の熱的処理を示している。
• 4.382 µmのサブストラクチャアの強度は、ダストおよびCOガス温度と正の相関関係にあり、氷の豊度とは反比例するため、熱的処理の起源を支持する。
• 固体状態のCO2氷から導かれた銀河的12C/13C比は69±15であり、C18OおよびH2COを用いた気体相の研究と整合的である。
• 利用可能な気体相データを持つ個々の天体について、固体状態の12C/13C比は約2.5σ高い傾向にあり、CO2生成経路に化学的差異がある可能性を示唆している。
• 低質量原始星や静止状態の雲の周囲の氷には、熱的処理の兆候は観測されず、加熱効果が高光度原始星環境に特異的であることが示された。
• これらの結果は、高質量原始星環境におけるCO2氷が熱的処理を受けることを支持しており、中心天体の進化段階を反映している。