[論文レビュー] The IRAM-30m line survey of the Horsehead PDR: I. CF+ as a tracer of C+ and a measure of the Fluorine abundance

Viviana V. Guzmán, J. Pety+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 23被引用数 22

ひとこと要約

本論文では、光分解領域（PDR）におけるC⁺の地上観測可能なプロキシとしてCF⁺を提案し、その検出可能性とフッ素濃度に対する直接比例関係を活用している。ホースヘッドPDRにおける高感度IRAM-30m観測を用いて、気体相フッ素濃度F/H = (0.6–1.5) × 10⁻⁸が導出された。これにより、CF⁺がC⁺優勢層を強固に tracer することができ、宇宙背景からのC⁺放射の高分解能地上観測にその利用が妥当であることが裏付けられた。

ABSTRACT

C+ is a key species in the interstellar medium but its 158 μm fine structure line cannot be observed from ground-based telescopes. Current models of fluorine chemistry predict that CF+ is the second most important fluorine reservoir, in regions where C+ is abundant. We detected the J = 1-0 and J = 2-1 rotational lines of CF+ with high signal-to-noise ratio towards the PDR and dense core positions in the Horsehead. Using a rotational diagram analysis, we derive a column density of N(CF+) = (1.5 - 2.0) imes 10^12 cm^-2. Because of the simple fluorine chemistry, the CF+ column density is proportional to the fluorine abundance. We thus infer the fluorine gas-phase abundance to be F/H = (0.6 - 1.5) imes 10^-8. Photochemical models indicate that CF+ is found in the layers where C+ is abundant. The emission arises in the UV illuminated skin of the nebula, tracing the outermost cloud layers. Indeed, CF+ and C+ are the only species observed to date in the Horsehead with a double peaked line profile caused by kinematics. We therefore propose that CF+, which is detectable from the ground, can be used as a proxy of the C+ layers.

研究の動機と目的

• 地球の大気の不透明性のため地上から直接観測できないC⁺の地上観測可能な tracer を同定すること。
• CF⁺を直接濃度プロキシとして用いて、ホースヘッドPDRにおける気体相フッ素濃度を測定すること。
• CF⁺がC⁺そのものと同様に、UV放射にさらされたC⁺豊富な層を tracer しているという仮説を検証すること。
• CF⁺が星間雲の外側、イオン化された層を、運動的に分解能をもって tracer するものとして妥当であることを検証すること。

提案手法

• IRAM-30m望遠鏡を用いて、CF⁺のJ=1-0およびJ=2-1回転遷移を深さと高スペクトル分解能で観測した。
• 検出されたラインに対して回転図解析を実施し、CF⁺の縦断密度を導出した。
• 塵の表面反応を含む純粋な気相反応ネットワークを用いて、ホースヘッドPDRにおけるフッ素化学をモデル化した。
• モデル予測のCF⁺、HF、C⁺濃度プロファイルを観測データと比較し、化学モデルの妥当性を検証した。
• CF⁺放射の空間的および運動的構造を評価し、遠紫外（far-UV）放射にさらされたPDR層と関連づけた。
• 観測されたCF⁺縦断密度をもとに、CF⁺が2番目に重要なフッ素の貯留庫であるという仮定に基づき、元素的フッ素濃度を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CF⁺は星間PDRにおけるC⁺の信頼できる地上観測プロキシとして機能するか？
• RQ2 CF⁺観測から導かれるホースヘッドPDRにおける気体相フッ素濃度は何か？
• RQ3 雲の構造において（視覚的減光量および放射場の観点から）CF⁺は主にどこで生成され、観測されているか？
• RQ4 CF⁺とC⁺の運動的プロファイルはどのように比較されるか？ これにより、両者の空間的重複性に何が示唆されるか？
• RQ5 観測されたCF⁺放射は、C⁺と同様に、UV放射にさらされたイオン化層をどの程度まで正確に tracer しているか？

主な発見

• ホースヘッドネビュラのPDRおよび高密度核領域の両位置において、CF⁺のJ=1-0およびJ=2-1線が高信噪比で検出された。
• 回転図解析に基づき、CF⁺の縦断密度はN(CF⁺) = (1.5–2.0) × 10¹² cm⁻²と導出された。
• 気体相フッ素濃度はF/H = (0.6–1.5) × 10⁻⁸と推定され、CF⁺は全フッ素の4–8%を占めるとされた。
• モデルは、雲の外側、UV放射にさらされた層（A_V < 4）においてCF⁺とC⁺の強い空間的・化学的重なりを予測した。
• CF⁺の二重ピーク線プロファイルはC⁺と一致しており、両者ともPDR内に運動的に異なるガスを tracer していることを示し、おそらくは流れ出しやショック様運動に起因すると考えられる。
• CF⁺放射は主にネビュラの照らされた縁側に位置しており、C⁺優勢で遠紫外放射にさらされた表面層を tracer する役割を果たしていることが確認された。