[論文レビュー] Seeds of Life in Space (SOLIS) III. Formamide in protostellar shocks: evidence for gas-phase formation

C. Codella, C. Ceccarelli+48 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 41被引用数 45

ひとこと要約

本研究では、高分解能NOEMA干渉計を用いてL1157-B1原始星衝撃領域におけるホルムアミド（NH₂CHO）を観測し、その放射線が空間的に分離しており、ブルーシフトしていることが判明した。FWHMは約5 km s⁻¹である。化学的モデルは、ホルムアミドが主にガス相反応（具体的にはNH₂ + H₂CO）によって生成されることを確認しており、主に固体表面での生成を否定する。これにより、太陽型星形成領域における生命前駆体分子のガス相合成の直接的証拠が得られた。

ABSTRACT

Context: Modern versions of the Miller-Urey experiment claim that formamide (NH$_2$CHO) could be the starting point for the formation of metabolic and genetic macromolecules. Intriguingly, formamide is indeed observed in regions forming Solar-type stars as well as in external galaxies. Aims: How NH$_2$CHO is formed has been a puzzle for decades: our goal is to contribute to the hotly debated question of whether formamide is mostly formed via gas-phase or grain surface chemistry. Methods: We used the NOEMA interferometer to image NH$_2$CHO towards the L1157-B1 blue-shifted shock, a well known interstellar laboratory, to study how the components of dust mantles and cores released into the gas phase triggers the formation of formamide. Results: We report the first spatially resolved image (size $\sim$ 9", $\sim$ 2300 AU) of formamide emission in a shocked region around a Sun-like protostar: the line profiles are blueshifted and have a FWHM $\simeq$ 5 km s$^{-1}$. A column density of $N_{ m NH_2CHO}$ = 8 $ imes$ 10$^{12}$ cm$^{-1}$, and an abundance (with respect to H-nuclei) of 4 $ imes$ 10$^{-9}$ are derived. We show a spatial segregation of formamide with respect to other organic species. Our observations, coupled with a chemical modelling analysis, indicate that the formamide observed in L1157-B1 is formed by gas-phase chemical process, and not on grain surfaces as previously suggested. Conclusions: The SOLIS interferometric observations of formamide provide direct evidence that this potentially crucial brick of life is efficiently formed in the gas-phase around Sun-like protostars.

研究の動機と目的

• 原始星衝撃領域におけるホルムアミド（NH₂CHO）の生成メカニズムを特定すること。具体的には、ガス相反応か固体表面反応のどちらによって生成されるかを特定すること。
• 高分解能干渉計を用いて、L1157-B1のブルーシフト衝撃領域におけるホルムアミド放射線の空間的分布および運動学的特性を解明すること。
• 観測された濃度と時間的変化が提案された生成経路と整合するかを検証するため、化学的モデルを用いること。
• NH₂ や H₂CO などのラジカルを含むガス相反応が、原始星環境における複雑な有機分子の生成に果たす役割を評価すること。
• ガス相反応によるホルムアミドの効率的生成の証拠を提示することで、宇宙空間における複雑有機分子（iCOMs）の生成に関する従来の固体表面反応パラダイムに挑戦すること。

提案手法

• L1157-B1のブルーシフト衝撃領域に向けて、NOEMA干渉計を用いてホルムアミド（NH₂CHO）の高スペクトル・高空間分解能観測を実施した。
• 観測された線幅プロファイルを分析し、速度構造、FWHM（約5 km s⁻¹）、および空間的広がり（約9 arcsec、約2300 AU）を導出した。
• 放射線強度から、ホルムアミドの縦断密度 N_NH₂CHO = 8 × 10¹² cm⁻² および水素核に対する相対濃度 4 × 10⁻⁹ を導出した。
• 衝撃通過後のホルムアミドおよびアセトアルデヒド（CH₃CHO）の濃度変化を再現するため、時間依存性の化学ネットワークを用いた化学的モデルを実行した。
• ガス相反応（例：NH₂ + H₂CO → NH₂CHO + H）および固体表面経路を含む複数の生成経路をテストし、予測された濃度と観測結果を比較した。
• 観測されたCH₃CHOとNH₂CHOの濃度比の時間的変化に一致させるようにモデルを調整し、密度および宇宙線イオン化率に対する感度テストも実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原始星衝撃領域におけるホルムアミドは、主にガス相反応か、固体表面反応かによって生成されるか？
• RQ2 L1157-B1衝撃領域におけるホルムアミド放射線の空間的および運動学的分布はいかなるものか？
• RQ3 アセトアルデヒドに対するホルムアミド濃度の時間的変化が、ガス相反応生成メカニズムを支持するか？
• RQ4 単純な化学的モデルが、衝撃領域ガスにおける観測された濃度比と時間的傾向を再現できるか？
• RQ5 観測結果が、衝撃領域における宇宙線イオン化率およびガス密度にどのような制約を課すか？

主な発見

• 原始星衝撃領域におけるホルムアミド放射線の最初の空間分解能画像が得られ、サイズは約9 arcsec（約2300 AU）であり、ブルーシフトした線幅プロファイルを示し、FWHMは約5 km s⁻¹であった。
• ホルムアミドの縦断密度は N_NH₂CHO = 8 × 10¹² cm⁻² であり、水素核に対する相対濃度は 4 × 10⁻⁹ であった。
• ホルムアミドは他の有機分子とは明確に空間的に分離しており、異なる生成環境または生成メカニズムを示唆している。
• 化学的モデルは、観測されたホルムアミド濃度と時間的変化が、特に NH₂ + H₂CO → NH₂CHO + H という反応によるガス相反応によって最もよく再現されることを確認した。
• モデル結果は、固体表面生成が主な経路でないことを裏付けている。代替的なシナリオでは、NH₂CHOとCH₃CHOの濃度比の時間的変化を再現できなかった。
• モデルから導かれたSHOCK 1とSHOCK 3の年齢差（約700 yr）は、約2000 yrの力学的年齢推定値と整合しており、モデルの妥当性を支持する。