[論文レビュー] SPARKS II.: Complex organic molecules in accretion shocks around a hot core precursor

T. Csengeri, А. Беллоче+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2019

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 75被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、ALMAの高分解能観測を用いて、質量の大きな原始星の前身であるG328.2551−0.5321の物理的・化学的構造を解明した。その結果、複雑な有機分子（COMs）が空間的に分離していることが明らかになった。酸素を含むCOMs（エタノールやアセトンなど）は、約180 Kの降着衝撃波でピークを示す一方、カルボキシル基を持つ窒素含有COMs（ビニルシアニドやエチルシアニドなど）は中心原始星およびディスクに集中している。これらの発見は、COMsが降着衝撃波で形成されることを示す初の直接的証拠であり、この源が古典的ホットコアの化学的に若い前身である可能性を示唆している。

ABSTRACT

Classical hot cores are rich in molecular emission, and they show a high abundance of complex organic molecules (COMs). The emergence of molecular complexity is poorly constrained in the early evolution of hot cores. Using the Atacama Large Millimeter Array we put observational constraints on the physical location of COMs in a high-mass protostellar envelope associated with the G328.2551-0.5321 clump. The protostar is single down to ~400au scales and we resolve the emission region of COMs. Using thermodynamic equilibrium modelling of the available 7.5 GHz bandwidth around ~345 GHz, we detect emission from 10 COMs, and identify a line of deuterated water (HDO). The most extended emission originates from methanol, methyl formate and formamide. Together with HDO, these molecules are found to be associated with both the accretion shocks and the inner envelope, for which we estimate a moderate temperature of $T_{ m kin}\sim$110 K. Our findings reveal a significant difference in the distribution of COMs. O-bearing COMs, such as ethanol, acetone, and ethylene glycol are almost exclusively found and show a higher abundance towards the accretion shocks with $T_{ m kin}\sim$180 K. Whereas N-bearing COMs with a CN group, such as vinyl and ethyl cyanide peak on the central position, thus the protostar and the accretion disk. This is the first observational evidence for a large column density of COMs seen towards accretion shocks at the centrifugal barrier at the inner envelope. Since the molecular composition is dominated by that of the accretion shocks and the radiatively heated hot inner region is very compact, we propose this source to be a precursor to a classical, radiatively heated hot core.

研究の動機と目的

• 高質量原始星包囲領域における複雑な有機分子（COMs）の物理的位置を制約すること。
• 降着衝撃波、内側包囲、中心原始星といった異なる物理的構成要素と関連したCOMsの化学的差異を調査すること。
• 初期段階の質量の大きな星形成において、COMsの生成が放射加熱か衝撃過程によって駆動されているかどうかを特定すること。
• 氷の昇華と化学的進化の文脈において、重水素酸化水（HDO）の起源と生存性を評価すること。

提案手法

• ~345 GHzで7.5 GHz帯域を有する高分解能ALMA観測を用い、内側包囲構造を約400 auまで解像した。
• 局所熱力学的平衡（LTE）モデルを用いて、2つの降着衝撃波と内側包囲の3つの異なる領域における分子の柱密度および濃度を特定・定量した。
• スペクトル線の同定とドップラー速度パターンの解析により、原始星、降着衝撃波、回転する包囲といった特定の物理的構造と分子線放出を関連づけた。
• 力学的温度（Tkin）はメタノールおよびホルム酸メチルの遷移から導出され、HDOの励起状態は場所に応じて110 Kまたは180 KのCH3OHと同一と仮定した。
• 統合強度マップとドップラー速度勾配の分析により、回転や衝撃といった力学的構造を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高質量原始星の前身の内側包囲において、複雑な有機分子（COMs）は物理的にどこに位置しているか？
• RQ2 酸素含有COMsと窒素含有COMsが最も豊富に存在する領域の物理的条件（温度、密度、衝撃活動）は何か？
• RQ3 観測されたHDO線放出は、氷被膜からの昇華と整合的か、それとも内側の高温領域で顕著に破壊されているか？
• RQ4 この源におけるCOMsの化学的組成は、古典的ホットコアと比較してどう異なるか。これはその進化段階に何を示唆するか？

主な発見

• G328.2551−0.5321の全体的な分子組成は、10種類のCOMsとHDOが検出され、他の高質量星形成領域と同等に豊富である。
• エタノール、アセトン、エチレングリコール、アセトアルデヒドなどの酸素含有COMsは、Tkin ≈ 180 Kの降着衝撃波で濃度が増加し、広がった線放出を示している。
• CN基を持つ窒素含有COMs（ビニルシアニド、エチルシアニドなど）は中心原始星および降着ディスクでピークを示しており、特異な化学的環境を示している。
• HDOの柱密度は降着衝撃波で4.0×10¹⁷ cm⁻²、内側包囲で2.1×10¹⁷ cm⁻²と推定され、包囲部では相対濃度（X(HDO)/X(CH3OH)）が約2倍高い。
• コンパクトで放射加熱された内側領域の半径R90% < 900 auであり、これまでに観測された中で最も小さなホットコア様領域である。
• HDOの顕著な破壊がないことから、この源は化学的に若いとされ、氷の昇華は進行しているが、内側最深部では効率的な分子破壊はまだ起こっていないと考えられる。