[論文レビュー] The hot core towards the intermediate mass protostar NGC7129 FIRS 2: Chemical similarities with Orion KL

A. Fuente, J. Cernicharo+9 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2014

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 63被引用数 42

ひとこと要約

本研究は、IRAM Plateau de Bure干渉計および単眼アンテナデータを用いた高分解能干渉観測により、中質量原始星NGC 7129 FIRS 2の化学組成を調査した。FIRS 2のホットコアは、質量の大きなオリオンKLホットコアと類似した化学的特徴を示し、大多数の複雑な有機分子の濃度が要因5以内に収まっているが、重水素化種や窒素含有分子に差異が認められる。これは、物理的温度（約400 K）が類似しているにもかかわらず、初期条件や力学的 timescale が化学的差異を引き起こす可能性を示唆している。

ABSTRACT

NGC 7129 FIRS 2 (hereafter FIRS 2) is an intermediate-mass (2 to 8 Msun) protostar located at a distance of 1250 pc. High spatial resolution observations are required to resolve the hot core at its center. We present a molecular survey from 218200 MHz to 221800 MHz carried out with the IRAM Plateau de Bure Interferometer. These observations were complemented with a long integration single-dish spectrum taken with the IRAM 30m telescope. We used a Local Thermodynamic Equilibrium (LTE) single temperature code to model the whole dataset. The interferometric spectrum is crowded with a total of ~300 lines from which a few dozens remain unidentified yet. The spectrum has been modeled with a total of 20 species and their isomers, isotopologues and deuterated compounds. Complex molecules like methyl formate (CH3OCHO), ethanol (CH3CH2OH), glycolaldehyde (CH2OHCHO), acetone (CH3COCH3), dimethyl ether (CH3OCH3), ethyl cyanide (CH3CH2CN) and the aGg' conformer of ethylene glycol (aGg'-(CH2OH)_2) are among the detected species. The detection of vibrationally excited lines of CH3CN, CH3OCHO, CH3OH, OCS, HC3N and CH3CHO proves the existence of gas and dust at high temperatures. In fact, the gas kinetic temperature estimated from the vibrational lines of CH3CN, ~405 K, is similar to that measured in massive hot cores. Our data allow an extensive comparison of the chemistry in FIRS~2 and the Orion hot core. We find a quite similar chemistry in FIRS 2 and Orion. Most of the studied fractional molecular abundances agree within a factor of 5. Larger differences are only found for the deuterated compounds D2CO and CH2DOH and a few molecules (CH3CH2CN, SO2, HNCO and CH3CHO). Since the physical conditions are similar in both hot cores, only different initial conditions (warmer pre-collapse phase in the case of Orion) and/or different crossing time of the gas in the hot core can explain this behavior.

研究の動機と目的

• 中質量（2–8 M⊙）のホットコアであるNGC 7129 FIRS 2の化学組成を特定すること。これは、低質量および高質量星形成の橋渡しを果たす重要な対象である。
• FIRS 2の化学的特徴を質量の大きなオリオンKLホットコアと比較し、分子濃度の類似性と相違点を評価すること。
• 物理的条件、初期温度構造、および力学的 timescale がホットコア化学に与える影響を調査すること。
• 中質量原始星における重水素化および窒素含有分子の生成が、高質量コアと比較して果たす役割を評価すること。
• FIRS 2ホットコアにおける炭素予算を推定し、メタノールおよび複雑な有機分子が炭素の貯蔵庫として果たす意義を評価すること。

提案手法

• IRAM Plateau de Bure干渉計（PdBI）を用いて218.2–221.8 GHz帯域で分子サーベイを実施し、高分解能でコンパクトなホットコアを解像した。
• 干渉計データを補完するために、ピコ・デ・ベレータのIRAM 30m電波望遠鏡を用いた長時間積算の単眼スペクトルを取得し、ライン同定およびフラックスキャリブレーションを改善した。
• 全データセットをモデル化するため、局所熱力学的平衡（LTE）の単一温度放射線輸送コードを適用し、20種類の物質（同位体および重水素化化合物を含む）の回転遷移をフィッティングした。
• CH₃CN、CH₃OCHO、CH₃OHなどの分子の振動励起ラインを用いてガスの力学的温度を導出し、95%信頼区間（-67 to +100 K）を伴い、約405 Kが得られた。
• FIRS 2とオリオンKL間のCH₃OHに対する分子分率濃度の詳細な比較を行い、乖離の原因を特定した。
• 光学厚さの影響およびビームフィリング要因を考慮して、検出された分子の柱密度を合算し、COおよびC¹⁸Oと比較することで炭素予算を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中質量ホットコアNGC 7129 FIRS 2における複雑な有機分子（COMs）の濃度は、質量の大きなオリオンKLホットコアと比べてどの程度か？
• RQ2 FIRS 2ホットコアにおけるガスの力学的温度は何か？他のホットコア（例：オリオンKL）と比較するとどうか？
• RQ3 CH₃CH₂CN、HNCO、SO₂、CH₂DOH、D₂CO、CH₃CHOといった特定の分子が、物理的条件が類似しているにもかかわらず、FIRS 2とオリオンKLで顕著な濃度差を示すのはなぜか？
• RQ4 プレコアプシスおよびコアプシス段階における初期熱的条件が、ホットコアで観測される化学に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ5 FIRS 2ホットコアに含まれる全炭素のうち、複雑な有機分子に閉じ込められている割合はどの程度か？太陽の炭素比と比較するとどうか？

主な発見

• CH₃CNの振動励起ラインを用いた解析により、FIRS 2ホットコアのガスの力学的温度は405 K（95%信頼区間：-67 to +100 K）と推定された。これは、高質量ホットコアと同等の高温環境を示している。
• 合計300本のスペクトル線が検出され、約20種の物質およびその同位体・重水素化形が同定された。複雑な分子として、ホルム酸メチル、エタノール、グリオキシルアルデヒド、アセトン、ジメチルエーテル、エチルシアニド、エチレングリコールのG形が含まれる。
• FIRS 2における大多数の分子のCH₃OHに対する分率濃度は、オリオンKLと要因5以内で一致しており、化学的組成が概ね類似していることを示している。
• CH₃CH₂CN、HNCO、SO₂（オリオンKLでより豊富）、CH₂DOH、D₂CO、CH₃CHO（FIRS 2でより豊富）に顕著な乖離が認められ、生成経路や初期条件の違いが原因である可能性がある。
• 炭素予算の分析により、メタノールが約3.4 × 10²⁰ cm⁻²の炭素を占め、検出された分子の全炭素はコンパクトコアで約4 × 10²⁰ cm⁻²に達するが、これはH核の約1.0 × 10⁻⁵に過ぎず、太陽のC/H比（約3.6 × 10⁻⁴）とは著しく低い。これは、COMが炭素の主要貯蔵庫ではないことを示唆している。
• C¹⁸Oの放射はおそらく光学的厚さを示しており、発光領域は約0.15 arcsecの直径を占め、ホットコアにおけるCO柱密度は10²² cm⁻²を超えると推定され、高密度状態と整合的である。