[論文レビュー] The impact of shocks on the chemistry of molecular clouds: high resolution images of chemical differentiation along the NGC1333-IRAS2A outflow

J. K. Jørgensen, M. R. Hogerheijde+4 more|ArXiv.org|Nov 5, 2003

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 52

ひとこと要約

本研究は、高分解能の干渉計および単眼電波ミリ波/サブミリ波観測を用いて、NGC1333-IRAS2Aの流れにおけるショック駆動型化学を調査している。ショック加熱が原始星の流れと高密度凝集体の間の15,000 AUの界面で発生し、その結果、CH₃OH、SiO、および硫黄を含む分子が2–4桁の増加を示す化学的分離が起こることが明らかになった。一方、HCO⁺はショック後でのみ検出され、固体粒子の表面被膜処理と高速条件下での分子の選択的生存が示唆される。

ABSTRACT

This paper presents a detailed study of the chemistry in the outflow associated with the low-mass protostar NGC1333-IRAS2A down to 3" (650 AU) scales. Millimeter-wavelength aperture-synthesis observations from the OVRO and BIMA interferometers and (sub)millimeter single-dish observations from the Onsala 20m telescope and CSO are presented. The interaction of the highly collimated protostellar outflow with a molecular condensation ~15000 AU from the central protostar is clearly traced by molecular species such as HCN, SiO, SO, CS, and CH3OH. Especially SiO traces a narrow high velocity component at the interface between the outflow and the molecular condensation. Multi-transition single-dish observations are used to distinguish the chemistry of the shock from that of the molecular condensation and to address the physical conditions therein. Statistical equilibrium calculations reveal temperatures of 20 and 70 K for the quiescent and shocked components, respectively, and densities near 10^6 cm^{-3}. Significant abundance enhancements of two to four orders of magnitude are found in the shocked region for molecules such as CH3OH, SiO and the sulfur-bearing molecules. HCO+ is seen only in the aftermath of the shock consistent with models where it is destroyed through release of H2O from grain mantles in the shock. N2H+ shows narrow lines, not affected by the outflow but rather probing the ambient cloud. Differences in abundances of HCN, H2CO and CS are seen between different outflow regions and are suggested to be related to differences in the atomic carbon abundance. Compared to the warm inner parts of protostellar envelopes, higher abundances of in particular CH3OH and SiO are found in the outflows, which may be related to density differences between the regions.

研究の動機と目的

• 高分解能空間的・スペクトル的分析を通じて、原始星の流れが分子雲化学に与える影響を調査すること。
• 低質量原始星環境におけるショック誘発化学と静穏な包層化学を分離すること。
• ショック状態および周囲のガス成分における物理的条件（温度、密度）および化学的濃度を特定すること。
• 他の流れ領域や原始星包層と比較して、NGC1333-IRAS2Aの分子濃度パターンが環境的および力学的要因にどのように影響を受けるかを評価すること。
• 原子炭素濃度および局所密度が、流れ全体で観測された化学的差異をどのように規定しているかを調査すること。

提案手法

• オービンズ・バレーおよびBIMA干渉計を用いたアパーチャ合成干渉計観測により、3″（650 AU）スケールでの空間構造を解像した。
• オンサラ宇宙観測所およびカリフォルニア工科大学サブミリ波観測所からのマルチ遷移単眼線観測により、励起状態および物理的条件を調査した。
• 分子線プロファイルの統計的平衡モデル化により、静穏ガスおよびショックガス成分の温度と密度を導出した。
• 異なる遷移および異なる機器からの線プロファイルを比較し、各成分内の物理的条件の一様性を評価した。
• ショックを示す分子（例：SiO、CH₃OH）の濃度増加を、静穏状態の分子（例：HCO⁺、N₂H⁺）と比較することで、ショック誘発化学のメカニズムを推定した。
• N₂H⁺は、その線幅が狭く、流れ出る物質では増加しないことから、周囲の非ショックガスを tracer として用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ショックプロセスは、周囲の分子雲と比較して、流れ出るガス内の分子濃度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 NGC1333-IRAS2Aの流れにおけるショック状態および静穏成分の物理的条件（温度、密度）は何か？
• RQ3 なぜCH₃OHおよびSiOはショック領域で顕著に増加しているのに対し、HCO⁺はショックの後でのみ検出されるのか？
• RQ4 NGC1333-IRAS2Aの化学的濃度は、L1157のような他の流れ領域と比較してどう異なるのか？その違いを説明できる要因は何か？
• RQ5 原子炭素濃度や局所密度の違いが、流れにおける観測された分子濃度パターンにどの程度影響を与えているのか？

主な発見

• ショックガスの温度は約70 K、密度は約2×10⁶ cm⁻³であり、静穏成分はより冷たく（約20 K）、密度も低い（約1×10⁶ cm⁻³）。
• CH₃OHの濃度は、ショック領域でCO濃度の約5%にまで上昇し、静穏ガスと比較して2–4桁の増加を示した。
• SiOは、ショック界面での狭い高速成分をトレースしており、ほこりの粒子表面から揮発性物質が効率的に放出されていることを示している。
• HCO⁺は、ショック後領域でのみ検出され、ショック加熱による固体被膜からのH₂O放出によって破壊されるモデルと整合的である。
• N₂H⁺は線幅が狭く、流れの影響を受けないため、周囲の非ショック雲物質をトレースしていることが確認された。
• NGC1333-IRAS2AにおけるHCN、H₂CO、およびCSの濃度は、L1157の流れよりも低いが、これは事前ショックガスにおける原子炭素濃度の違いに起因する可能性がある。