[論文レビュー] Searching for O$_2$ in the SMC:Constraints on Oxygen Chemistry at Low Metallicities

C. D. Wilson, Henrik Olofsson+6 more|ArXiv.org|Feb 14, 2005

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 25被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、39時間のオーディン衛星観測を用いて、低金属量の小マジラン銀河（SMC）におけるO₂放出の初回探索を実施した。O₂の検出はされなかったが、3σの上限としてO₂/H₂ < 1.3×10⁻⁶が得られ、これは弱く自己遮蔽される分子雲における光分解効果—ガス相化学のみに依存するのではなく—が低金属量環境でO₂の豊度を抑制すると考えられる。

ABSTRACT

We present a 39 h integration with the Odin satellite on the ground-state 118.75 GHz line of O2 towards the region of strongest molecular emission in the Small Magellanic Cloud. Our 3sigma upper limit to the O2 integrated intensity of &lt;0.049 K km/s in a 9'(160 pc) diameter beam corresponds to an upper limit on the O2/H2 abundance ratio of &lt;1.3E-6. Although a factor of 20 above the best limit on the O2 abundance obtained for a Galactic source, our result has interesting implications for understanding oxygen chemistry at sub-solar metal abundances. We compare our abundance limit to a variety of astrochemical models and find that, at low metallicities, the low O2 abundance is most likely produced by the effects of photo-dissociation on molecular cloud structure. Freeze-out of molecules onto dust grains may also be consistent with the observed abundance limit, although such models have not yet been run at sub-solar initial metallicities.

研究の動機と目的

• 低金属量の銀河間物質環境、特に太陽の16%の酸素豊度を示す小マジラン銀河（SMC）における分子酸素の豊度を調査すること。
• 低金属量でO₂が増加すると予測する一部のガス相天体化学モデルが観測と整合するかを検証すること。
• 低金属量の分子雲におけるO₂豊度の抑制に寄与する光分解およびダスト粒子への凍結作用の役割を制約すること。
• 低金属量環境におけるO₂の枯渇を説明するための「化学的に若々しい」モデルとガス相モデルの妥当性を評価すること。

提案手法

• オーディン衛星を用い、SMCの位置SW-1に向けてO₂の118.75 GHz基底状遷移を39.2時間にわたり源指向積分した。
• 9′の beam（160 pcの直径）を用い、メインビーム効率は0.9、システム温度は約950 Kであった。
• 軌道開始・終了時に観測された地上大気吸収ラインを用いて周波数を補正し、1 MHz未満の安定性を確保した。
• 同じ領域からの既存のCO J=1-0データと組み合わせ、O₂/H₂およびO₂/COの豊度比を導出した。
• 低太陽系金属量におけるガス相および表面反応の天体化学モデルと観測の上限を比較した。
• 金属量に比例してスケーリングされる光分解率およびダストガス比が、O₂の生成と生存に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一部のガス相天体化学モデルが予測するように、低金属量で分子酸素の豊度が増加するのだろうか？
• RQ2 O₂の観測された抑制を最もよく説明するのは、光分解、ダスト粒子への凍結、あるいは選択的枯渇のどのメカニズムだろうか？
• RQ3 低金属量ガスでより高いO₂豊度を予測する「化学的に若々しい」モデルは、SMCにおける観測と整合するだろうか？
• RQ4 低金属量の分子雲において、COとは異なりO₂の光分解率および自己遮蔽特性はどのように異なるのだろうか？
• RQ5 ダスト粒子プロセスを含む既存の天体化学モデルは、SMCにおける観測されたO₂豊度の上限を再現できるだろうか？

主な発見

• SMCの領域SW-1に向けてO₂放出は検出されず、積分ライン強度の3σ上限は0.049 K km⁻¹であった。
• この上限はO₂/H₂豊度比が<1.3×10⁻⁶に相当し、銀河系の上限よりも顕著に高いが、低金属量化学の理解には依然として有用である。
• O₂/CO豊度比は<0.13に制限され、低金属量でO₂/CO ≈ 2–3を予測する「化学的に若々しい」モデルを除外した。
• 低金属量雲における自己遮蔽の低下を考慮した光分解モデルは、O₂/CO比が約0.05に相当すると予測し、観測の上限と整合的である。
• ガス相モデルでは、太陽系よりも2倍高い酸素枯渇を仮定することでデータに一致するが、そのような枯渇を引き起こす物理的メカニズムは現在のところ確立されていない。
• ダスト粒子への凍結を含むモデルもデータと整合的である可能性があるが、低太陽系金属量での計算はまだなされていない。