[論文レビュー] The Composition and Distribution of Dust Along the Line of Sight Towards the Galactic Center

J. E. Chiar, A. G. G. M. Tielens+6 more|CERN Bulletin|Feb 23, 2000

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ISOの短波長スペクトロメータ（SWS）を用いた中赤外スペクトルを分析し、銀河中心方向の線路上におけるダストおよび氷の組成と分布を特定する。3.4、6.85、7.25 µmにおける脂肪族炭化水素特徴の担い手として水素化非晶質炭素（HAC）を特定し、GCS3では芳香族炭化水素を検出する。一方、Sgr A*はH2O、CO2、CH4、HCOOHを含む顕著な分子雲物質を示す強力な氷特徴を示す。

ABSTRACT

We discuss the composition of dust and ice along the line of sight to the Galactic Center (GC) based on analysis of mid-infrared spectra (2.4-13 micron) from the Short Wavelength Spectrometer on the Infrared Space Observatory (ISO). We have analyzed dust absorption features arising in the molecular cloud material and the diffuse interstellar medium along the lines of sight toward Sagittarius A* and the Quintuplet sources, GCS3 and GCS4. It is evident from the depth of the 3.0 micron H2O and the 4.27 micron CO2 ice features that there is more molecular cloud material along the line of sight toward Sgr A* than GCS3 and 4. In fact, Sgr A* has a rich infrared ice spectrum with evidence for the presence of solid CH4, NH3, and possibly HCOOH. Hydrocarbon dust in the diffuse interstellar medium along the line of sight to the GC is characterized by absorption features centered at 3.4, 6.85, and 7.25 micron. Ground-based studies have identified the 3.4 micron feature with aliphatic hydrocarbons, and ISO has given us the first meaningful observations of the corresponding modes at longer wavelengths. The integrated strengths of these three features suggest that hydrogenated amorphous carbon is their carrier. We attribute an absorption feature centered at 3.28 micron in the GCS3 spectrum to the C-H stretch in aromatic hydrocarbons. This feature is not detected, and its C-C stretch counterpart appears to be weaker, in the SgrA* spectrum. One of the key questions which now arises is whether aromatics are a widespread component of the diffuse interstellar medium, analogous to aliphatic hydrocarbons.

研究の動機と目的

• 中赤外分光法を用いて、銀河中心方向の線路上における星間ダストおよび氷の組成を特定すること。
• Sgr A*および他の源の減光において、拡散星間媒体と分子雲物質の寄与を区別すること。
• 3.4、6.85、7.25 µmにおける主要な吸収特徴の担い手を特定し、脂肪族炭化水素と芳香族炭化水素のどちらに起因するかを評価すること。
• NGC 7538 IRS9などの他の源と比較して、高密度環境における化学的進化を理解するために、氷の柱密度を定量し、組成比を評価すること。

提案手法

• Sgr A*、GCS3、GCS4を指向した、赤外宇宙望遠鏡（ISO）の短波長スペクトロメータ（SWS）による中赤外スペクトル（2.4–13 µm）の分析。
• 局所的な2次多項式コンティニュアを用いた吸収特徴のフィッティングにより、光学的厚さと統合バンド強度を導出する。
• HAC、氷混合物（H2O、CO2、CH4、NH3、HCOOH）、PAHの実験室スペクトルと観測スペクトルを比較し、担い手を同定する。
• 光学的厚さ比（例：A(6.85)/A(7.25)）を用いて、炭化水素担い手の分子構造を制限する。
• 既知の振動数強度と氷バンド強度を仮定して、光学的厚さ測定値から氷の柱密度を推定する。
• NGC 7538 IRS9における氷組成と照合し、さまざまな星間環境における化学的差異を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Sgr A*、GCS3、GCS4の間で、銀河中心方向の線路上におけるダストおよび氷の組成はどのように異なり、それぞれの特徴は何か？
• RQ2 銀河中心方向の拡散星間媒体における3.4 µm、6.85 µm、7.25 µmの吸収特徴の担い手は何か？
• RQ3 Sgr A*の減光において、分子雲成分がGCS3およびGCS4と比較してどの程度寄与しているか？
• RQ4 GCS3における3.28 µm特徴が示唆するように、芳香族炭化水素は拡散星間媒体の顕著な成分であると考えられるか？
• RQ5 NGC 7538 IRS9などの他の星形成領域と比較して、銀河中心における氷（H2O、CO2、CH4、HCOOH）の相対的組成比はどのように異なるか？

主な発見

• 拡散星間媒体における3.4 µm、6.85 µm、7.25 µmの吸収特徴は、脂肪族炭化水素に一致するCH2/CH3比を持つ水素化非晶質炭素（HAC）によって最もよく説明される。
• Sgr A*は強力な氷特徴を示し、H2Oのτ(3.0 µm) = 0.50 ± 0.01およびCO2のτ(4.27 µm) = 0.70 ± 0.01を示しており、線路上に顕著な分子雲物質が存在することを示唆する。
• Sgr A*における氷の柱密度は、N(H2O) = 12.4 × 10^17 cm⁻²、N(CO2) = 1.7 × 10^17 cm⁻²、N(CH4) = 0.30 × 10^17 cm⁻²、N(HCOOH) = 0.8 × 10^17 cm⁻²であり、CH4とHCOOHはそれぞれH2Oに対して2%および6%の相対濃度で検出された。
• GCS3における3.28 µm特徴は芳香族炭化水素のC-H伸張振動に起因し、τ(3.28 µm) = 0.026 ± 0.005、統合面積は0.8 ± 0.3 cm⁻¹である。一方、6.2 µmにおけるC-C伸張振動は、氷マトリックスモデルの予測を上回る強度を示す。
• 6.85 µm/7.25 µm強度比（2.3）は分岐脂肪族炭化水素と一致し、HACが担い手であることを支持する。一方、Sgr A*における3.4 µm特徴は偏光していないため、ケイ酸塩上に堆積した被膜由来の起源は排除される。
• NGC 7538 IRS9と比較すると、Sgr A*はNH3（20–30%）およびHCOOH（6%）の相対濃度が高く、CO（≤12%）は低いことから、銀河中心環境における化学的処理が特異であることが示唆される。