[論文レビュー] The essential elements of dust evolution: A viable solution to the interstellar oxygen depletion problem?

A. P. Jones, N. Ysrad|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2019

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 102被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、密度の高い分子雲における銀河間酸素欠如を、非晶質炭素性ダストに埋め込まれた隠れた有機炭酸エステル相（–O–C(=O)–O–）の形成によって説明する。この相は炭素の10–20%を固定し、未解明の酸素の170–255 ppmを説明する。この相は視覚的減光A_V ~1におけるアルキル性が豊富なa-C:H被膜の付加時に形成され、光分解による酸化炭素（CO₂）の生成を説明する可能性がある。

ABSTRACT

There remain many open questions relating to the depletion of elements into dust, e.g., exactly how are C and O incorporated into dust in dense clouds and, in particular, what drives the disappearance of oxygen in the denser interstellar medium? This work is, in part, an attempt to explain the apparently anomalous incorporation of O atoms into dust in dense clouds. We re-visit the question of the depletion of the elements incorporated into the carbonaceous component of interstellar dust, i.e., C, H, O, N and S, in the light of recent analyses of the organics in comets, meteorites and interplanetary dust particles. We find that oxygen could be combined with ~ 10 to 20 % of the carbon in the dust in dense regions in the form of a difficult to observe, organic carbonate, which could explain the unaccounted for 170-255 ppm oxygen depletion. We conclude that, while C, O and N atoms are depleted into an amorphous a-C:H:O:N phase, we posit that a significant fraction of C and O atoms could be sequestered into an organic carbonate, which provides a viable solution to the oxygen depletion problem. Further, the thermal or photolytic decomposition of this carbonate may have a bearing on the formation of CO_2 in the ISM.

研究の動機と目的

• 密度の高い分子雲における銀河間酸素欠如という長年の問題を解決すること。ここでは、宇宙の酸素の約1/3から1/2が、ガス相の濃度測定では欠落している。
• 炭素性ダストにおける酸素の化学的スペシエーションを調査し、特に以前に認識されていなかった安定な有機炭酸エステル相に結合しているかどうかを検討すること。
• このような相が、宇宙空間の氷中に存在するCO₂の生成および彗星物質に観測される有機物の組成に与える影響を調査すること。
• 宇宙空間の「氷」吸収特徴が分子種に起因するのみであるという仮定に疑問を呈し、代わりに高分子有機ダスト成分からの寄与を提案すること。
• 将来的な観測的および実験的検証のための検証可能な仮説を提示すること。

提案手法

• 最近の彗星、隕石、および宇宙間ダスト粒子（IDPs）からのデータを用いて、宇宙空間ダストの元素の欠落パターンを再評価すること。
• 視覚的減光A_V ~1における、希薄な宇宙空間から密度の高い宇宙空間への移行期に、埋め込まれた有機炭酸エステル（–O–C(=O)–O–）を有する非晶質a-C:H:O:Nダスト相の形成をモデル化すること。
• O/CおよびO/N比に関する理論的および観測的制約を用いて、提案された炭酸エステル相の化学的安定性および存在割合を推定すること。
• X線K端スペクトロスコピー（E > 0.2 keV）を、氷被膜がほとんどない半透明または分子雲において有機炭酸エステルを検出する手法として提案すること。
• 有機炭酸エステルの熱的およびUV光分解をシミュレートし、CO₂の放出および彗星に類似た有機物の形成におけるその役割を評価すること。
• この仮説をTHEMISダスト進化モデルに統合し、観測されたダスト特性および元素の欠落と整合するかを評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 密度の高い分子雲において、未解明の酸素約170–255 ppmが、どの化学的相に閉じ込められていると考えられるか？
• RQ2 有機炭酸エステル（–O–C(=O)–O–）相の形成が、炭素の過剰な欠落を引き起こさずに、宇宙空間ダストにおける観測されたO/CおよびO/N比を説明できるか？
• RQ3 このような炭酸エステル相の光分解が、宇宙空間の氷中に観測されるCO₂の濃度にどのように寄与するか？
• RQ4 現在の宇宙空間の「氷」吸収特徴の解釈が、高分子有機ダスト成分からの寄与をどの程度無視しているか？
• RQ5 有機炭酸エステルの存在を明確に検出または否定するための、観測的および実験的戦略は何か？

主な発見

• ガス相の濃度測定において未解明のまま残っている、宇宙空間の酸素の大部分（170–255 ppm）は、隠れた酸素を豊富に含む固体相に組み込まれている可能性がある。
• 提案された有機炭酸エステル相（–O–C(=O)–O–）は、密度の高い領域で炭素の最大10–20%を結合可能であり、O/C比を3:1まで高め、炭素の欠落を最小限に抑える。
• この相の形成は、ダスト進化モデルと整合的であり、視覚的減光A_V ~1におけるアルキル性が豊富なa-C:H被膜の付加時に発生する。
• 有機炭酸エステルの光分解が、宇宙空間の氷中に観測されるCO₂の濃度を説明でき、長年の生成問題の解決策を提供する。
• この炭酸エステル相の分解生成物は、ロゼッタ探査機のROSINAおよびCOSACが彗星の大気に検出した複雑な有機分子と類似しており、太陽系化学における関連性を裏付ける。
• E > 0.2 keVのX線K端スペクトロスコピーは、技術的に挑戦的ではあるが、氷被膜がほとんどないライン・オブ・スイトで有機炭酸エステル特徴を検出する有望な手法を提供する。