[論文レビュー] Spatial mapping of ices in the Oph-F core: A direct measurement of CO depletion and the formation of CO2

K. M. Pontoppidan|ArXiv.org|May 22, 2006

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 61

ひとこと要約

本研究は、VLT-ISAAC、Spitzer-IRS、ISOCAM-CVFからの中赤外分光法を用いて、Oph-F前星核におけるCOおよびCO2氷の最初の空間マップを提示する。直接的にCOの凍結プロファイルを測定し、CO氷表面反応によるCO2生成を明らかにし、CO-CO結合エネルギーを814 ± 30 Kとして特定する。これにより、高密度分子雲における氷化学に重要な制約が得られる。

ABSTRACT

Aims: Ices in dense star-forming cores contain the bulk of volatile molecules apart from H2 and thus represent a large fraction of dark cloud chemistry budget.To directly constrain the freeze-out profile of CO, the formation route of CO2 and the carrier of the 6.8 micron band, the spatial distribution of the CO/CO2 ice system and the 6.8 micron band carrier are measured in a nearby dense core. Methods: VLT-ISAAC, ISOCAM-CVF and Spitzer-IRS archival mid-infrared (3-20 micron) spectroscopy of young stellar objects is used to construct a map of the abundances of CO and CO2 ices in the Oph-F star-forming core, probing core radii from 2 10^3 to 14 10^3 AU or densities from 5 10^4 to 5 10^5 cm^-3 with a resolution of ~ 3000 AU. Results: The line-of-sight averaged abundances relative to water ice of both CO and CO2 ices increase monotonously with decreasing distance to the core center. The map traces the shape of the CO abundance profile between freeze-out ratios of 5-60% and shows that the CO2 ice abundance increases by a factor of 2 as the CO freezes out. It is suggested that this indicates a formation route of CO2 on a CO ice surface to produce a CO2 component dilute in CO ice, in addition to a fraction of the CO2 formed at lower densities along with the water ice mantle. It is predicted that the CO2 bending mode band profile should reflect a high CO:CO2 number ratio in the densest parts of dark clouds. In contrast to CO and CO2, the abundance of the carrier of the 6.8 micron band remains relatively constant throughout the core. A simple freeze-out model of the CO abundance profile is used to estimate the binding energy of CO on a CO ice surface to 814+/-30 K.

研究の動機と目的

• 高密度星形成領域におけるCOおよびCO2氷の空間的分布を直接測定し、凍結プロセスを制約すること。
• CO2の氷被膜内での生成経路を、COに相対するCO2の割合の分析により調査すること。
• 観測された氷の割合プロファイルを用いて、CO氷表面におけるCOの結合エネルギーを特定すること。
• COまたはCO2とは異なる起源または形成機構を示唆する可能性がある、6.8 µmバンドキャリアの空間的変化を評価すること。
• 高分解能空間マッピングによる氷の割合を用いて、理論的凍結モデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• VLT-ISAAC（3–20 µm）、Spitzer-IRS、ISOCAM-CVFを用いた組み合わせた中赤外分光法により、CO、CO2、H2O氷の特徴を検出する。
• Oph-Fコア内の5つの埋蔵された若い星形成対象を指向線として選定し、2,000～14,000 AUの投影半径にわたる氷の割合をマッピングする。
• COおよびCO2氷バンドの吸収深さの測定値を用いて、水氷に対する氷の割合を計算する。
• 静的コア状態と平衡凍結を仮定したもとで、観測されたCO割合プロファイルに簡易的熱脱着モデルを適用する。
• 氷被膜成長の速度式を解く：dnice/dt = R_ads - R_des、ここでR_des = ν₀ exp(−dH/kT) × nice × β。
• モデルを観測されたCO割合プロファイルにフィットさせ、ボンナー＝エーベル密度プロファイルと15 Kの温度を用いてCO-CO結合エネルギーdHを導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Oph-F前星核の中心からの距離に応じて、CO氷の割合はどのように変化するか？
• RQ2 高密度コア環境において、CO氷の凍結とCO2氷の生成の空間的関係は何か？
• RQ3 観測された凍結プロファイルから、CO氷表面におけるCOの結合エネルギーは何か、推定されるか？
• RQ4 6.8 µmバンドキャリアは空間的に変化を示すか？ これは、COまたはCO2とは異なる起源またはキャリアを示唆するか？
• RQ5 コア中心方向へのCO2割合の増加は、CO氷表面での反応によって説明できるか？

主な発見

• CO氷の水に対する割合は、コア中心方向に向かって約5%から約60%へ単調に増加しており、密度の増加に伴う進行的凍結を示している。
• CO2氷の割合は、コアの外縁部から内縁部へかけて2倍に増加しており、これは、塵粒子表面でのCO氷からのCO2生成を示唆している。
• 観測されたCO2の増加はCOの凍結と相関しており、CO2がCO氷表面反応によって生成され、CO氷に希釈されたCO2成分を形成するという経路を支持している。
• CO-CO結合エネルギーは814 ± 30 Kで測定され、ラボラトリでの測定結果と整合的であり、粒子表面化学に重要な制約を提供している。
• 6.8 µmバンドキャリアの割合はコア全域で比較的一定であり、COまたはCO2氷とは主に関連していないことが示され、別のキャリアまたは形成機構を示唆している。
• モデルは、暗黒雲の最も密度の高い部分ではCO:CO2比が高いことが、CO2の曲げモードバンドプロファイルに反映されるべきであると予測しており、より高分解能分光法で検証可能である。