[論文レビュー] Methanol maps of low-mass protostellar systems: the Serpens Molecular Core

L. E. Kristensen, E. F. van Dishoeck+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2010

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 1被引用数 31

ひとこと要約

本研究では、JCMTのHarp-Bアレイを用いた準ミリ波長観測により、セルペンス分子集合体におけるメタノール放出をマッピングし、低質量原始星の環境において広がったメタノール分布を明らかにした。主な発見として、低温な回転温度（15–20 K）、外側の環境で最大10⁻⁸に達する高濃度のメタノール、および流れ出し領域における強い脱着が観測され、非熱的脱着とCOの水素化による表面粒子上でのメタノール生成を支持する。

ABSTRACT

Observations of Serpens have been performed at the JCMT using Harp-B. Maps over a 4.5'x5.4' region were made in a frequency window around 338 GHz, covering the 7-6 transitions of methanol. Emission is extended over each source, following the column density of H2 but showing up also particularly strongly around outflows. The rotational temperature is low, 15-20 K, and does not vary with position within each source. The abundance is typically 10^-9 - 10^-8 with respect to H2 in the outer envelope, whereas "jumps" by factors of up to 10^2 -10^3 inside the region where the dust temperature exceeds 100 K are not excluded. A factor of up to ~ 10^3 enhancement is seen in outflow gas. In one object, SMM4, the ice abundance has been measured to be ~ 3x10^-5 with respect to H2 in the outer envelope, i.e., a factor of 10^3 larger than the gas-phase abundance. Comparison with C18O J=3-2 emission shows that strong CO depletion leads to a high gas-phase abundance of CH3OH not just for the Serpens sources, but for a larger sample of protostars. The observations illustrate the large-scale, low-level desorption of CH3OH from dust grains, extending out to and beyond 7500 AU from each source, a scenario which is consistent with non-thermal (photo-)desorption from the ice. The observations also illustrate the usefulness of CH3OH as a tracer of energetic input in the form of outflows, where methanol is sputtered from the grain surfaces. Finally, the observations provide further evidence of CH3OH formation through CO hydrogenation proceeding on grain surfaces in low-mass envelopes.

研究の動機と目的

• 低質量で若い星形成対象の物理的・化学的構造を特定すること、特にCH₃OHの濃度分布を明らかにすること。
• メタノールの生成メカニズムと、原始星環境における気相への放出プロセスを調査すること。
• 流れ出しや宇宙線などのエネルギー的プロセスが、氷被膜に閉じ込められたメタノールをどのように脱着させるかを評価すること。
• 準ミリ波長連続スペクトルデータに基づく物理モデルと観測されたメタノール濃度を比較すること。

提案手法

• 観測は、ジェームズ・クリーク・マクスウェル望遠鏡（JCMT）を用い、Harp-Bアレイ受信機を用いて、セルペンス分子集合体の4.5′ × 4.4′領域をマッピングした。
• 観測は、338 GHz近傍のメタノールの7K–6K回転遷移を標的とし、複数のエネルギー準位を同時に探査可能であった。
• データ解析には、回転温度診断法とH₂に対する相対濃度計算が用いられた。
• 各源について、既存の準ミリ波長連続スペクトルデータを用いて、密度および温度構造を制約する物理モデルが構築された。
• 観測されたライン強度とモデル予測を比較することで、光学厚さおよび励起状態の影響を考慮したメタノール濃度が導出された。
• C¹⁸O J=3–2放出との比較分析により、ガス相メタノール濃度に及ぼすCOの枯渇効果が評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低質量原始星の環境におけるメタノールは、どこで、どのように生成され、その濃度分布を支配する物理的条件は何か？
• RQ2 氷被膜に閉じ込められたメタノールの脱着を引き起こすメカニズムは何か、そして原始星系の異なる領域でどのように変化するか？
• RQ3 流れ出し活動は、原始星環境におけるメタノール濃度と分布にどのように影響を与えるか？
• RQ4 高密度な環境におけるCOの枯渇は、ガス相メタノール濃度をどの程度高めるか？
• RQ5 観測されたメタノール濃度は、COの表面粒子上での水素化理論予測とどの程度一致するか？

主な発見

• メタノール放射は各原始星源にわたり広がっており、H₂の面密度とよく一致しており、特に流れ出し領域で強められた放射が観測された。
• 各源において、15–20 Kの低く均一な回転温度が得られ、冷たい環境での熱的励起を示している。
• 外側の環境におけるメタノール濃度はH₂に対して10⁻⁹～10⁻⁸の範囲であり、ほだん温度が100 Kを超える領域では最大10²～10³倍に増加した。
• 流れ出し領域では、最大で約10³倍のメタノール濃度増加が観測され、氷被膜からのスパッタリングに一致する。
• 源SMM4では、氷相におけるメタノール濃度がH₂に対して約3 × 10⁻⁵であり、気相反対比で約1000倍高い。
• 強力なCO枯渇が発生しており、これがガス相メタノール濃度の上昇を引き起こしており、セルペンスのみならず、深く埋もれた原始星の広いサンプルにおいても高いCH₃OHレベルを説明できる。