[論文レビュー] Nitrogen hydrides in interstellar gas II. Analysis of Herschel/HIFI observations towards W49N and G10.6-0.4 (W31C)

C. M. Persson, M. De Luca+15 more|UCL Discovery (University College London)|Aug 20, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 74被引用数 44

ひとこと要約

本研究は、高質量星形成領域W49NおよびG10.6−0.4に向けてのHerschel/HIFIの準ミリ波長観測を分析し、窒素水素化物（NH、o-NH₂、o-NH₃、パラ-NH₃）が拡散・半転送ガスで高分子数分率を示しながら共存することを明らかにした。主な発見として、アモニアの反対対比が予想に反して低く（約0.5–0.7）、速度成分ごとの全量比に顕著な変化がなく、NH⁺はNHよりも少ない可能性があるという上限値が得られ、現在の宇宙化学モデルに疑問を呈するものである。

ABSTRACT

We have used the Herschel-HIFI instrument to observe interstellar nitrogen hydrides along the sight-lines towards W49N and G10.6-0.4 in order to elucidate the production pathways leading to nitrogen-bearing species in diffuse gas. All detections show absorption by foreground material over a wide range of velocities, as well as absorption associated directly with the hot-core source itself. As in the previously published observations towards G10.6-0.4, the NH, NH2 and NH3 spectra towards W49N show strikingly similar and non-saturated absorption features. We decompose the absorption of the foreground material towards W49N into different velocity components in order to investigate whether the relative abundances vary among the velocity components, and, in addition, we re-analyse the absorption lines towards G10.6-0.4 in the same manner. Abundances, with respect to molecular hydrogen, in each velocity component are estimated using CH. The analysis points to a co-existence of the nitrogen hydrides in diffuse or translucent interstellar gas with a high molecular fraction. Towards both sources, we find that NH is always at least as abundant as both o-NH2 and o-NH3, in sharp contrast to previous results for dark clouds. We find relatively constant N(NH)/N(o-NH3) and N(o-NH2)/N(o-NH3) ratios with mean values of 3.2 and 1.9 towards W49N, and 5.4 and 2.2 towards G10.6-0.4, respectively. The mean abundance of o-NH3 is ~2x10^-9 towards both sources. The nitrogen hydrides also show linear correlations with CN and HNC towards both sources, and looser correlations with CH. The upper limits on the NH+ abundance indicate column densities < 2 - 14 % of N(NH). Surprisingly low values of the ammonia ortho-to-para ratio are found in both sources, ~0.5 - 0.7 +- 0.1. This result cannot be explained by current models as we had expected to find a value of unity or higher.

研究の動機と目的

• 拡散および半転送星間ガスにおける窒素含有種の生成経路を、窒素水素化物の観測によって調査すること。
• 高質量星形成領域における複数の速度成分にわたるNH、o-NH₂、o-NH₃およびパラ-NH₃の相対的全量を特定すること。
• アモニアの反対対比を評価し、理論的予測と比較すること。
• CH、CN、HNC、HCO⁺などの他の星間分子と、窒素水素化物の相関関係を検討すること。
• NH⁺の全量に上限値を設定し、NHとの相対的全量と比較すること。

提案手法

• Herschel/HIFI機器を用いたNH、o-NH₂、o-NH₃およびパラ-NH₃の準ミリ波長回転遷移の分光解析。
• 吸収プロファイルの速度分解能を用いた複数成分への分解により、異なるガス相における全量変動を分析すること。
• 太陽系近傍におけるCHと分子状水素の既知の相関関係に基づき、H₂のトレーサーとしてCHを用いた全量推定。
• Jₖ = 2₁–1₁およびJₖ = 1₀–0₀遷移の相対的強度から、アモニアの反対対比を計算すること。
• 速度空間における窒素水素化物と他の分子（CH、CN、HNC、HCO⁺、H₂O）との相関関係の統計的分析。
• 観測スペクトル窓内での非検出に基づき、NH⁺の柱密度に上限値を導出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 W49NおよびG10.6−0.4に向けての拡散および半転送星間ガスにおけるNH、o-NH₂およびo-NH₃の相対的全量はそれぞれどのようにか？
• RQ2 前記物質の前方ガスにおける異なる速度成分にわたる窒素水素化物の全量はどのように変化するか？
• RQ3 拡散ガスにおけるアモニアの反対対比は何か？また、1に等しい高温平衡値から逸脱しているか？
• RQ4 窒素水素化物の全量はCH、CN、HNCおよびHCO⁺の全量とどのように相関しているか？
• RQ5 これらの視線におけるNH⁺の全量に対する上限値は何か？NHとの相対的全量は？

主な発見

• W49NおよびG10.6−0.4の両者において、反対-NH₃の平均全量はH₂に対して約2 × 10⁻⁹である。
• W49NではN(NH)/N(o-NH₃)比が3.2、G10.6−0.4では5.4であり、o-NH₂/o-NH₃比はそれぞれ1.9および2.2である。
• 最も強い速度成分において、アモニアの反対対比は約0.5–0.7 ± 0.1と測定され、高温平衡値1よりも顕著に低い。
• 異なる速度成分間で全量比の顕著な変化は観測されず、拡散ガスにおける化学反応が一貫していることが示唆される。
• NH⁺の全量に上限値が設定され、N(NH⁺)/N(NH)比は≤2–14%（平均≤6%）であり、NH⁺はNHに比べてはるかに少ないことが示唆される。
• 窒素水素化物とCNおよびHNCの間には強い線形相関が観測され、CHとはやや弱い相関であり、HCO⁺およびH₂Oと同様の速度プロファイルを示すため、高分子数分率ガスの共通トレーサーであることが示唆される。