[論文レビュー] The Horsehead nebula, a template source for interstellar physics and chemistry

Maryvonne Gérin, J. Pety+1 more|ArXiv.org|May 22, 2009

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 1被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、FUV放射にさらされる界面や冷たい高密度核を調べるための分子 tracer（HCO、CCH、H13CO+、および重水素化種）を用いて、星間物理学および星間化学のベンチマークとしてのヘアホースネビュラを提示する。これらの tracer は、従来の CO やダスト連続スペクトルと比較して、物理的および化学的構造をより感受的に露わにする。また、PDR モデルに中性-中性反応や気体-固体相結合を組み込む必要があることを示唆する、モデルと観測の間の不一致を特定する。

ABSTRACT

We present a summary of our previous investigations of the physical and chemical structure of the Horsehead nebula, and discuss how these studies led to advances on the understanding of the impact of FUV radiation on the structure of dense interstellar clouds. Specific molecular tracers can be used to isolate different environments, that are more sensitive to changes in the FUV radiation or density than the classical tracers of molecular gas : the CO isotopologues or the dust (sub)millimeter continuum emission. They include the HCO or CCH radicals for the FUV illuminated interfaces, or the molecular ions H$^{13}$CO$^+$, DCO$^+$ and other deuterated species (DNC, DCN) for the cold dense core. We discuss future prospects in the context of Herschel and ALMA.

研究の動機と目的

• フォトンが支配する領域（PDR）のモデル例としてのヘアホースネビュラの物理的および化学的構造を理解すること。
• FUV放射およびガス密度の変化を検出するのに CO 体やダスト放射よりも感受性の高い分子 tracer を特定すること。
• ヘアホースネビュラの高分解能観測と比較することで、現在の PDR モデルの限界を評価すること。
• Herschel、ALMA、NOEMA の今後の観測計画を支援するため、標的とする主要な分子種および物理的勾配を特定すること。
• 欠落している反応経路および気体-固体相結合メカニズムを化学ネットワークに組み込むことで、化学ネットワークモデルを改善すること。

提案手法

• IRAM 30m および Effelsberg テレスコープを用いて、ヘアホースネビュラ全域にわたる分子線放出を高スペクトル分解能でミキシング分光法でマッピングする。
• CO、HCO、CCH、H13CO+、DCO+、DNC、DCN、CN、HCN、HNC、NH3 などの主要種の空間分解線強度マップを用い、物理的状態および化学的勾配を推定する。
• Meudon PDR モデルを用いて観測された線強度をシミュレートし、FUV放射場、密度、イオン化率などのパラメータを変化させる。
• モデル予測と観測線強度を比較して、特にラジカルの分圧（HCO、CCH、C4H）および重水素分率の不一致を特定する。
• 中性-中性反応（例：O + CH2）および気体-粒子プロセス（例：氷の光脱着、炭素粒子の侵食）を含む更新された化学ネットワークを組み込む。
• Herschel（遠赤外/ミリ波長域の水素化物検出）、ALMA（高ダイナミックレンジ画像化）、NOEMA（高感度干渉計測定）の今後の能力を活用して、観測枠組みを拡張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HCO、CCH、および重水素化種（H13CO+、DCO+）といった分子 tracer は、ヘアホースネビュラにおける FUV にさらされる PDR から冷たい高密度核への遷移をどの程度正確にトレースできるか？
• RQ2 現在の PDR モデルは、ネビュラの照照明縁部における HCO や CCH といったラジカルの観測分圧をどの程度正確に再現できるか？
• RQ3 中性-中性反応および気体-固体相相互作用（例：氷の光脱着）は、特定のラジカルの過剰分圧を説明するために果たす役割は何か？
• RQ4 PDR 縁部における温度、密度、元素分圧の空間勾配は、化学反応および冷却プロセスにどのように影響を与えるか？
• RQ5 水素化物および重水素化分子に関して、観測と予測を一致させるために化学ネットワークモデルでどの程度の改善が必要か？

主な発見

• ヘアホースネビュラは、密度勾配が急で、n ∼ r⁻³ の関係に従い、高密度核部では約 10⁵ cm⁻³、縁部では約 10³ cm⁻³ に達する。同時に、運動温度は約 15 K から約 100 K に上昇する。
• ネビュラ縁部における FUV 放射場は約 60 Draine 単位で測定され、O9.5V 型星 σ Ori による照照明と整合的である。
• HCO や CCH ラジカルは、定常状態モデルが予測するよりも著しく多く、反応経路の欠落が示唆される。
• H13CO+、DCO+、DNC などの重水素化種は、冷たい高密度核部で強度を増し、低温条件下での効率的な重水素分率が示唆される。
• Meudon PDR モデルは、FUV 支配から宇宙線支配への化学的遷移を全体的に再現できるが、中性-中性反応を含めない限り、ラジカル分圧を正確に再現できない。
• 今後の Herschel、ALMA、NOEMA の観測により、水素化物（例：H2O、OH、CH、HF）の空間分解マッピングおよび分子勾配の高ダイナミックレンジ画像化が可能となり、PDR モデルの精緻化に不可欠となる。