[論文レビュー] Surviving the hole I: Spatially resolved chemistry around Sgr A*

S. Martín, J. Martín‐Pintado+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2011

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 50被引用数 34

ひとこと要約

本研究では、複数の分子種（CN、H₂CO、SiO、HC₃N、c-C₃H₂）の高分解能1.3 mm干渉観測を用いて、Sgr A*周辺の空間的分解能を得た化学反応と運動学をマッピングした。化学的分離—例えば、回転するフィラメント内の密度が高く光学的厚さの強いクラウドをCNが示し、Sgr A Eastの拡張から生じる殻状構造をH₂COが示す—により、銀河中心の極限的環境における重なった分子成分を解体できる。主な発見として、循環核ディスク（CND）の大部分で12C/13C比が約15–45であったが、北東アームでは10未塔であり、c-C₃H₂/HC₃N比は通常のPDRと比較して10倍以上も低く、この領域で特異な化学的処理が行われていることを示している。

ABSTRACT

The interstellar region within the few central parsecs around the super-massive black hole, Sgr A* at the very Galactic center is composed by a number of overlapping molecular structures which are subject to one of the most hostile physical environments in the Galaxy. We present high resolution (4"x3"~0.16x0.11 pc) interferometric observations of CN, 13CN, H2CO, SiO, c-C3H2 and HC3N emission at 1.3 mm towards the central ~4 pc of the Galactic center region. Strong differences are observed in the distribution of the different molecules. The UV resistant species CN, the only species tracing all previously identified circumnuclear disk (CND) structures, is mostly concentrated in optically thick clumps in the rotating filaments around Sgr A*. H2CO emission traces a shell-like structure that we interpret as the expansion of Sgr A East against the 50 km/s and 20 km/s giant molecular clouds (GMCs). We derive isotopic ratios 12C/13C~15-45 across most of the CND region. The densest molecular material, traced by SiO and HC3N, is located in the southern CND. The observed c-C3H2/HC3N ratio observed in the region is more than an order of magnitude lower than in Galactic PDRs. Toward the central region only CN was detected in absorption. Apart from the known narrow line-of-sight absorptions, a 90 km/s wide optically thick spectral feature is observed. We find evidences of an even wider (>100 km/s) absorption feature. Around 70-75% of the gas mass, concentrated in just the 27% densest molecular clumps, is associated with rotating structures and show evidences of association with each of the arcs of ionized gas in the mini-spiral structure. Chemical differentiation has been proven to be a powerful tool to disentangle the many overlapping molecular components in this crowded and heavily obscured region.

研究の動機と目的

• 空間的分解能を得た化学反応を用いて、Sgr A*近傍の極限的環境における重なった分子成分を解体すること。
• 循環核ディスク（CND）および周辺領域における異なる分子構造に影響を与える物理的条件および加熱機構を特定すること。
• 衝撃、X線放射、紫外線場が分子豊度および同素体比に与える役割を調査すること。
• 回転構造および降着ガスが中心分子領域の質量および運動学に果たす貢献を評価すること。
• 超大質量ブラックホール周辺における密度が高く、衝撃を受けており、紫外線から保護されたガスの分子 tracer を特定すること。

提案手法

• 銀河中心の中心約4 pcにわたり、1.3 mmでの高分解能（4'' × 3''）干渉観測を実施し、CN、¹³CN、H₂CO、SiO、c-C₃H₂、HC₃Nを対象とした。
• CNスペクトルプロファイルの超微細準位フィッティングを用いて光学的厚さを導出し、CNDの大部分でCNが光学的厚さであることを確認した。
• 分子発光の空間的分布および運動学をマッピングし、回転フィラメント、拡張殻、GMCとの相互作用といった特定の構造と関連づけた。
• CND全域で¹²CNおよび¹³CN線強度から同素体比（¹²C/¹³C）を計算し、空間的変化が異なる化学的または動的歴史を示していることを明らかにした。
• 線強度比（例：c-C₃H₂/HC₃N）および線幅を分析し、化学的処理、衝撃励起、光分解離効果を推定した。
• Sgr A*方向へのCNの吸収ラインを特定し、ブラックホールに最も近い密度の高いガスをプローブした。ここには、幅94 km s⁻¹の吸収成分に加え、さらに広がっている可能性のある（>100 km s⁻¹）吸収成分も存在した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる分子種（CN、H₂CO、SiO、HC₃N、c-C₃H₂）の空間的分布および運動学は、銀河中心のどの異なる物理的構造をどのようにトレースしているか？
• RQ2 殻状のH₂CO発光の起源は何か？ また、Sgr A Eastの拡張およびGMCとの相互作用とどのように関連しているか？
• RQ3 CNDではc-C₃H₂/HC₃Nの分子豊度比が通常の銀河系PDRと比べて著しく低いのはなぜか？
• RQ4 Sgr A*方向へのCNに観測された幅広く、あるいは超広域（≥100 km s⁻¹）の吸収特徴の起源は何か？ そして、最も近い分子ガスの性質を何を明らかにしているか？
• RQ5 CND内の分子質量の何パーセントが回転構造に関連しており、何パーセントのガスが密度が高く、衝撃を受けており、紫外線から保護されたクラウドに存在しているか？

主な発見

• CNはCNDの大部分で光学的厚さであり、Sgr A*の周囲を回転する密度が高くクラウド状のフィラメントに集中しており、主に回転構造をトレースしていることが示された。
• H₂COは、Sgr A Eastが50 km s⁻¹および20 km s⁻¹のGMCに拡張することで生じる殻状構造をトレースしており、視線方向の速度がこれらの雲と一致している。
• CNDの大部分では¹²C/¹³C比が約15–45であったが、H₂CO発光がピークを示す北東アームでは10未塔となり、¹³Cの強化された処理または質量損失が示唆された。
• 最も密度の高い分子物質（SiOおよびHC₃Nでトレース）は南側CNDおよび北東アームに位置しており、20 km s⁻¹および50 km s⁻¹のGMCの流れからの降着物質による衝撃が原因と考えられる。
• c-C₃H₂/HC₃N比は、銀河系PDRと比較して10倍以上も低く、CND環境ではc-C₃H₂の生成が非効率的または破壊が促進されている可能性を示している。
• Sgr A*方向へのCNに観測された幅94 km s⁻¹の吸収および、さらに広がっている可能性のある（>100 km s⁻¹）吸収特徴は、ブラックホールに近い場所に密度が高く、冷たい分子ガスが存在することを示唆しており、さらに広い吸収の可能性も示している。