[論文レビュー] Probing non polar interstellar molecules through their protonated form: Detection of protonated cyanogen (NCCNH+)

M. Agúndez, J. Cernicharo+20 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2015

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 44被引用数 88

ひとこと要約

本研究では、電波望遠鏡を用いて、寒冷な暗黒分子雲TMC-1およびL483に向けて、NCCNH⁺のJ = 5−4およびJ = 10−9回転遷移を最初に検出することに成功した。この検出により、恒久的な電気双極子モーメントを持たないため従来の電波天文学では検出不能な非極性のシアンゲン（NCCN）の存在が裏付けられ、推定されるNCCNの割合はH₂に対して(1–10) × 10⁻⁸に達する。

ABSTRACT

Cyanogen (NCCN) is the simplest member of the series of dicyanopolyynes. It has been hypothesized that this family of molecules can be important constituents of interstellar and circumstellar media, although the lack of a permanent electric dipole moment prevents its detection through radioastronomical techniques. Here we present the first solid evidence of the presence of cyanogen in interstellar clouds through the detection of its protonated form toward the cold dark clouds TMC-1 and L483. Protonated cyanogen (NCCNH+) has been identified through the J=5-4 and J=10-9 rotational transitions using the 40m radiotelescope of Yebes and the IRAM 30m telescope. We derive beam averaged column densities for NCCNH+ of (8.6+/-4.4)e10 cm-2 in TMC-1 and (3.9+/-1.8)e10 cm-2 in L483, which translate to fairly low fractional abundances relative to H2, in the range (1-10)e-12. The chemistry of protonated molecules in dark clouds is discussed, and it is found that, in general terms, the abundance ratio between the protonated and non protonated forms of a molecule increases with increasing proton affinity. Our chemical model predicts an abundance ratio NCCNH+/NCCN of 1e-4, which implies that the abundance of cyanogen in dark clouds could be as high as (1-10)e-8 relative to H2, i.e., comparable to that of other abundant nitriles such as HCN, HNC, and HC3N.

研究の動機と目的

• 恒久的な電気双極子モーメントを持たないため、従来の電波天文学では検出不能な非極性の宇宙分子（例：シアンゲンNCCN）を検出すること。
• このような分子のプロトン化形態が、寒冷な宇宙環境において間接的 tracer として機能する可能性を検証すること。
• 観測されたNCCNH⁺の放射線と化学モデルを用いて、暗黒分子雲におけるシアンゲンの割合を制約すること。
• プロトン親和性およびイオン-分子反応ネットワークが、寒冷で高密度な分子雲におけるプロトン化種の化学をどのように支配するかを評価すること。

提案手法

• 40 m Yebes電波望遠鏡およびIRAM 30 m望遠鏡を用いて、NCCNH⁺のJ = 5−4（44.4 GHz）およびJ = 10−9（88.8 GHz）回転遷移を観測した。
• 弱い線幅の検出を目的として、周波数スイッチングモードで高分解能（50 kHzおよび6 kHz）のスペクトル線サーベイを実施した。
• アンテナ温度は、スカイおよびホットロード測定を用いて校正し、大気モデルおよび気象データに基づいた光学厚さ補正を施した。
• ビーム平均の全粒子密度は、積分ライン強度を用い、ビーム効率およびメインビーム輝度温度への変換を考慮して導出した。
• UMIST RATE12ネットワークを用いて、暗黒分子雲の条件下でのNCCNH⁺およびNCCNの時間依存的割合をシミュレートする化学モデルを構築した。
• 観測データと照らし合わせるために、[NCCNH⁺]/[NCCN]の割合を計算し、真のNCCNの割合を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非極性の宇宙分子（例：シアンゲンNCCN）のプロトン化形態が、寒冷な暗黒分子雲で検出可能かどうか。
• RQ2 NCCNH⁺の検出を根拠に、宇宙空間におけるシアンゲン（NCCN）の推定割合はどの程度か。
• RQ3 分子Mのプロトン親和性が、寒冷で高密度な宇宙空間における[MH⁺]/[M]の割合にどのように影響を与えるか。
• RQ4 現在の化学モデルが、NCCNH⁺の生成および消失経路をどの程度正確に予測しているか。
• RQ5 観測値とモデル値の乖離を説明するため、化学ネットワークに欠落している生成経路が存在する可能性はいかが。

主な発見

• TMC-1およびL483に向けて、NCCNH⁺のJ = 5−4およびJ = 10−9回転遷移が検出され、それぞれビーム平均全粒子密度は(8.6 ± 4.4) × 10¹⁰ cm⁻²および(3.9 ± 1.8) × 10¹⁰ cm⁻²であった。
• 観測されたNCCNH⁺の割合は、H₂に対して(1–10) × 10⁻¹²の範囲にあった。
• 化学モデルでは、[NCCNH⁺]/[NCCN]の割合が約10⁻⁴であると予測され、NCCNのH₂に対する割合が(1–10) × 10⁻⁸に達する可能性があると示唆された。
• [MH⁺]/[M]の割合は、中性分子Mのプロトン親和性が高くなるほど増加する傾向を示しており、暗黒分子雲におけるイオン-分子反応化学の一般的なトレンドを示している。
• モデルは観測されたNCCNH⁺の割合を低く見積もっており、生成経路の欠落やNCCNを含む反応の速度定数の不正確さが原因である可能性がある。
• 高いプロトン親和性と測定可能な電気双極子モーメントを持つことから、HC₂S⁺は今後の検出に向けた有望な候補であると同定された。