[論文レビュー] Mapping ices in protostellar environments on 1000 AU scales: Methanol-rich ice in the envelope of Serpens SMM 4

K. M. Pontoppidan, E. F. van Dishoeck+1 more|ArXiv.org|Jul 15, 2004

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 39被引用数 95

ひとこと要約

本研究は、Serpens SMM 4の原始星包みの間、10個の準主系列星を向いたVLT-ISAAC Lバンド分光法を用いて、銀河間氷の空間的分布をマッピングした。解像度は6″（1500 AU）に達した。原始星中心部付近で水氷の含有量が90%増加しており、メタノール氷の含有量は水に対して25%にまで達しており、原始星包みにおける氷形成効率の向上と、Class 0原始星の外側包みにおける強い化学的分離が示唆された。

ABSTRACT

We present VLT-ISAAC L-band spectroscopy toward 10 stars in SVS 4, a 30"x45" dense cluster of pre-main sequence stars deeply embedded in the Serpens star forming cloud. The ISAAC spectra are combined with archival imaging from UKIRT and ISOCAM to derive accurate extinctions toward the SVS 4 stars. The data are then used to construct a spatial map of the distribution of ice in front of the cluster stars with an average angular resolution of 6" or 1500 AU, three orders of magnitude better than previous maps. We show that water ice is present throughout the region and confirm the presence of methanol ice with an abundance of up to 25% relative to water. It is shown that methanol ice maintains a very high abundance relative to H2 throughout SVS 4, but drops by at least an order of magnitude only 75" away from SVS 4. The maps indicate that some of the lines of sight toward the SVS 4 stars pass through the outer envelope of the class 0 protostar SMM 4. The abundance of water ice relative to the refractory dust component shows a sudden increase by 90% to (1.7+/-0.2) * 10^-4 relative to H2 at a distance of 5000 AU to the center of SMM 4. The water ice abundance outside the jump remains constant at (9+/-1) * 10^-5. We suggest that this is an indication of a significantly enhanced ice formation efficiency in the envelopes of protostars. The depletion of volatile molecules in the envelope of SMM 4 is discussed. In particular, it is found that up to 2/3 of the depleted CO is converted into CO2 and CH3OH in the ice. Therefore, only 1/3 of the CO originally frozen out will return to the gas phase as CO upon warmup.

研究の動機と目的

• Serpens SMM 4の原始星包みにおける銀河間氷の空間的分布を、高解像度でマッピングすること。
• 水やメタノールといった主要な氷種の含有量と分布を、水氷および分子水素に対して相対的に調査すること。
• 観測された氷含有量の空間勾配を用いて、原始星包みにおける氷形成と凍結効率の理論的モデルを検証すること。
• 中心原始星からの距離に応じて氷含有量が系統的に変化するかどうか、特に包みの内側縁部で確認すること。
• 包み内における化学的処理の役割、特に氷相におけるCOからCO2およびCH3OHへの変換を評価すること。

提案手法

• SVS 4集団の10個の星を向いたVLT-ISAAC Lバンド分光法を取得し、高解像度の線方向氷吸収データを提供した。
• 各線方向に対する正確な視覚的減光を導出するため、アーカイブのUKIRTおよびISOCAMデータを統合した。
• 6″（1500 AU）の解像度を有する氷含有量の空間マップを構築し、30″×45″の領域にわたる詳細なマッピングを可能にした。
• 減光補正済みスペクトルを用いて柱密度を導出し、H2および難揮発性ダストを基準に氷含有量を計算した。
• 特に水氷およびメタノール氷の径方向変化をマッピングし、原始星付近で急激な遷移が生じることを特定した。
• 観測された含有量勾配を用いて、包み内の氷形成効率や凍結ダイナミクスといった物理的状態を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Class 0原始星SMM 4の外側包みにおける水氷およびメタノール氷の空間的分布はどのように変化するか？
• RQ2 SVS 4集団全体およびSMM 4からの距離に応じて、メタノール氷の水氷に対する含有量比はどのように変化するか？
• RQ3 水氷含有量の急激な上昇によって示されるように、原始星周辺で氷形成効率が向上していると見なせるか？
• RQ4 COが氷相に凍結され、化学的にCO2およびCH3OHに変換される程度はどの程度か？
• RQ5 氷含有量マップは、原始星包みの熱的および化学的歴史を物理的プローブとして用いることができるか？

主な発見

• SMM 4中心部から5000 AUの距離で、水氷含有量はH2に対して(9±1)×10⁻⁵から(1.7±0.2)×10⁻⁴に90%増加しており、内側包みにおける氷形成効率の向上を示している。
• メタノール氷は、SVS 4集団内に限定され、水氷に対して25%の高いかつ一定の含有量（H2に対して(2.5±0.4)×10⁻⁵）を示しており、SMM 4に近い領域に集中している。
• SVS 4から75″（19,000 AU）の距離では、メタノール氷含有量は水氷の5%未満（≤3×10⁻⁶）に低下しており、メタノール氷形成の明確な空間的境界が示唆された。
• 凍結したCOの総含有量（変換生成物を含む）はH2に対して最大1.4×10⁻⁴に達し、加熱時に元のCOの約3分の1しかガス相に戻らない。
• 酸素は、密度の高いコア部で利用可能な酸素の50%を占め、SVS 4-12に向かって氷中の酸素含有量は最大3.5×10⁻⁴（H2に対して）に達した。
• 本研究は、8m望遠鏡を用いた高解像度の氷マッピングが実現可能であり、原始星包みの物理的・化学的進化を強力に探る手段であることを示した。