[論文レビュー] The D/H Ratio in the Interstellar Medium toward the White Dwarf PG0038+199

G. M. Williger, C. Mendes de Oliveira+4 more|CERN Bulletin|Jan 16, 2005

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 13

ひとこと要約

本研究は、高分解能のFUSEおよびKeck HIRES分光法を用いて、白色矮星PG 0038+199方向の銀河間媒体における重水素対水素（D/H）比を測定した。複数の核種に対して曲線の成長法、顕著光学厚さ法、プロファイルフィッティング手法を適用することで、2σでD/H = (1.91 ± 0.52) × 10⁻⁵が得られた。これは大多数の局所的測定値よりも高いが、他の2つの遠方の視線方向と整合的であり、100 pcを超える範囲でのD/Hの分散という継続的な課題に貢献している。

ABSTRACT

We determine the D/H ratio in the interstellar medium toward the DO white dwarf PG0038+199 using spectra from the Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer (FUSE), with ground-based support from Keck HIRES. We employ curve of growth, apparent optical depth and profile fitting techniques to measure column densities and limits of many other species (H2, NaI, CI, CII, CIII, NI, NII, OI, SiII, PII, SIII, ArI and FeII) which allow us to determine related ratios such as D/O, D/N and the H2 fraction. Our efforts are concentrated on measuring gas-phase D/H, which is key to understanding Galactic chemical evolution and comparing it to predictions from Big Bang nucleosynthesis. We find column densities log N(HI) = 20.41+-0.08, log N(DI)=15.75+-0.08 and log N(H2) = 19.33+-0.04, yielding a molecular hydrogen fraction of 0.14+-0.02 (2 sigma errors), with an excitation temperature of 143+-5K. The high HI column density implies that PG0038+199 lies outside of the Local Bubble; we estimate its distance to be 297 (+164,-104)pc (1 sigma). D/[HI+2H2] toward PG0038+199 is 1.91(+0.52,-0.42) e-5 (2 sigma). There is no evidence of component structure on the scale of Delta v > 8 km/s based on NaI, but there is marginal evidence for structure on smaller scales. The D/H value is high compared to the majority of recent D/H measurements, but consistent with the values for two other measurements at similar distances. D/O is in agreement with other distant measurements. The scatter in D/H values beyond ~100pc remains a challenge for Galactic chemical evolution.

研究の動機と目的

• 銀河系化学進化およびビッグバン核合成のプローブとして、白色矮星PG 0038+199方向の銀河間媒体におけるD/H比を特定すること。
• H I、D I、H₂の核密度および励起温度を測定し、分子水素分率およびISM状態を評価すること。
• 特に100 pcを超える距離で観測されるD/H値の散らばりを、銀河内でのD/Hの変動を調査すること。
• 重水素の貯留源としてのHDおよびダストの不揮発性の寄与を、重水素貯留源に関する不確実性を踏まえて評価すること。
• H₂線を用いてFUSEの線幅関数（LSF）を決定することで、機器のキャリブレーションを向上させ、正確なプロファイルフィッティングを実現すること。

提案手法

• H I、D I、および複数のイオン（C I、C II、N I、O I、Si IIなど）の核密度を測定するために、曲線の成長法および顕著光学厚さ法を適用した。
• vpfitを用いたプロファイルフィッティングにより吸収線をモデル化し、未混在のH₂遷移から導出された波長依存性のガウス型線幅関数（LSF）を組み込んだ。
• Na IおよびH₂線を用いてFUSEのドップラー速度スケールをキャリブレーションし、線形分散補正およびゼロ点オフセットを適用してKeck HIRESデータと整合させた。
• 異なるチャンクサイズにおけるrms/σ比のモードを分析することで、機器ノイズ補正係数（σ補正）を特定し、20〜40ピクセルの範囲で安定なプラトーが得られた。
• FUSEの各セグメントにおいて、FWHM（全半値幅）の2次関数としてLSFをフィッティングし、SN比が低い長波長セグメント（LiF1B、LiF2A）については別個の定数を設定した。
• FUSEとKeckのデータを統合し、高精度なD/H、D/O、H₂分率を2σ誤差推定とともに導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 白色矮星PG 0038+199方向の銀河間媒体におけるD/H比は何か？ そして、初期宇宙の値や局所的値と比較してどう異なるか？
• RQ2 この視線方向における分子水素分率および励起温度は何か？
• RQ3 線幅関数（LSF）やノイズ特性といった機器的要因が、FUSEデータにおけるD/H測定の正確性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 異なる速度分解能において、ISMに成分構造の兆しがあるか？ そして、その構造がD/Hの決定にどのように影響を与えるか？
• RQ5 100 pcを超える距離での観測されるD/Hの分散は、現在の銀河系化学進化モデルにどの程度挑戦的か？

主な発見

• PG 0038+199方向のD/H比は2σ信頼区間で(1.91 ± 0.52) × 10⁻⁵と測定され、局所的ISMにおける典型的な値よりも高いことが示された。
• H Iの核密度はlog N(H I) = 20.41 ± 0.08であり、この視線方向がローカルバブルの外にあることを示唆しており、距離推定値は297⁺¹⁶⁴₋₁₀⁴ pcであった。
• 分子水素分率はf(H₂) = 0.14 ± 0.02、励起温度は143 ± 5 Kであり、冷たく静穏なISMと整合的であった。
• D/O比は他の遠方の視線方向と一致しており、D/Oが広い距離スケールで比較的一定であるという仮説を支持した。
• Na IのΔv > 8 km s⁻¹では明確な成分構造は観測されなかったが、より小さな速度スケールではわずかな構造の兆候が見られた。
• H₂線を用いてFUSEの線幅関数（LSF）を成功裏にモデル化でき、残差RMSは0.007–0.018 Å（2–5.6 km s⁻¹）であった。固定パターンノイズおよび検出器効果を補正するため、各セグメントに1.1–1.4のσ補正係数を適用した。