[論文レビュー] Small PAHs in the Red Rectangle

U. Vijh, Adolf N. Witt+1 more|CERN Bulletin|Oct 5, 2004

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 45

ひとこと要約

この論文は、赤い長方形星雲における青色発光（BL）の原因として、質量が250 a.m.u.未満の小規模で中性の多環芳香族炭化水素（PAH）を特定した。空間的相関関係として、BLと3.3 μm PAH放射の相関を用い、HD 44179の特異な周囲星間紫外線／可視光減光曲線を導出し、PAH吸収特徴を確認するとともに、PAHの水素に対する相対濃度が約10⁻⁵であることを示唆した。

ABSTRACT

Following our initial discovery of blue luminescence in the spectrum of the Red Rectangle (RR) and its identification as fluorescence by small three- to four-ringed polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) molecules, we report on the spatial correlation between the blue luminescence and the 3.3 micron emission, commonly attributed to small, neutral PAH molecules, and on the newly-derived UV/optical attenuation curve for the central source of the RR, HD 44179. Both results provide strong additional evidence for the presence of small PAH molecules with masses of less than 250 a.m.u. in the RR, which supports the attribution of the blue luminescence to fluorescence by the same molecules. We contrast the excellent spatial correlation of the two former emissions with the distinctly different spatial distribution of the extended red emission (ERE) and of the dust-scattered light within the RR. The UV/optical attenuation curve of the central star is unlike any interstellar extinction curve and is interpreted as resulting from circumstellar opacity alone. Major contributions to this opacity are absorptions in broad bands in the mid-UV, contributing to the electronic excitation of the luminescing PAH molecules, and a sharp ionization discontinuity near 7.5 eV in the far-UV, which places a sharp upper limit on the masses of the PAH molecules that are responsible for this absorption. The strength of the far-UV absorption leads to an abundance of the PAH molecules of 10^{-5} relative to hydrogen in the RR. Such small PAHs are perhaps unique to the environment in the RR, where they are shielded from harsh radiation by the dense circmstellar disk.

研究の動機と目的

• 赤い長方形星雲における青色発光（BL）の起源を特定すること。BLは378 nmでピークを示し、FWHMは約45 nmである。
• BLの空間的分布を調査し、散乱光や拡張赤発光（ERE）などの他の星雲発光と比較すること。
• 中心星HD 44179の紫外線／可視光減光曲線を導出し、周囲星間と星間減光を区別して解釈すること。
• 赤い長方形星雲における小規模PAH分子の濃度と物理的状態を評価すること、特に局所的な放射環境下での生存可能性について

提案手法

• CTIO 1.5 m望遠鏡を用いて、2.5''幅のスリットと2つの回折格子（340–600 nmおよび500–1000 nmをカバー）を用いて、赤い長方形星雲の低分解能・長スリット分光観測を実施した。
• コロナグラフィック・デッカーより直接星光を抑制し、星雲発光を分離することで、散乱光およびBLの強度を正確に測定した。
• 357 nmにおけるBL強度を、397 nmからの波長補正済み散乱光を全観測フラックスから差し引くことで測定した。
• 星雲分光データとアーカイブIUEデータを統合し、HD 44179の紫外線／可視光減光曲線を構築した。特に、遠紫外域の上昇と中紫外域の吸収特徴に注目した。
• 減光曲線を小規模PAH分子内の電子遷移（主に束縛状態間および束縛状態から自由状態への遷移）に起因するとモデル化し、実験的および理論的データと比較した。
• 遠紫外域の不連続性（約7.5 eV、λ⁻¹ ≈ 6.0 μm⁻¹）にフィットさせることで、PAHの水素に対する相対濃度を推定し、約10⁻⁵を得た。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤い長方形星雲における青色発光（BL）と散乱光、拡張赤発光（ERE）などの他の星雲発光との空間的関係は何か？
• RQ2 中性PAHに起因するとされる3.3 μm放射がBLと空間的に相関しているか。この相関関係は、共通の起源を支持するか？
• RQ3 HD 44179の特異な紫外線／可視光減光曲線の原因は何か。これは星間物質か周囲星間物質に起因するか？
• RQ4 減光曲線の遠紫外域上昇は、小規模PAH分子の電離によって説明可能か。これはPAHの濃度および質量について何を示唆するか？
• RQ5 強力なU既是発光が見られるにもかかわらず、なぜBLは通常の星形成領域では観測されないのか。これはPAHが過酷な放射場で生存できないことを示唆するか？

主な発見

• 赤い長方形星雲における青色発光（BL）の空間的分布は、小規模で中性のPAH分子におけるC–H伸縮振動に起因するとされる3.3 μm放射と強く相関しており、BLが同様の分子からの蛍光であるという同定を強く支持する。
• HD 44179の紫外線／可視光減光曲線はR_V = 11.9を示し、217.5 nmの星間吸収バンプを欠き、λ⁻¹ ≈ 6.0 μm⁻¹近辺で急激な遠紫外域上昇を示しており、これは星間減光ではなく周囲星間物質由来であることを示唆する。
• 遠紫外域上昇は、質量が250 a.m.u.未満の小規模PAH分子の光電離に起因すると定量的に整合しており、推定されるPAHの水素に対する相対濃度は約10⁻⁵である。
• 減光曲線に見られる広い中紫外域吸収ハローは、中性PAHの特徴的な4つの中紫外域吸収帯の重ね合わせによってよく説明され、これらも観測された蛍光（BL）を生成している。
• BLは、過酷な放射場により小規模PAHが破壊されるため、通常の星形成領域では予想されない。これは、赤い長方形星雲の遮蔽された環境下でのPAHの特異な生存可能性を確認する。
• 導出された減光曲線は、星間ダストではなく、小規模PAHの電子遷移による周囲星間の光学的厚さに支配されており、既知のすべての銀河系減光曲線とは異なる。