[論文レビュー] The IRAM-30m line survey of the Horsehead PDR: II. First detection of the l-C3H+ hydrocarbon cation

J. Pety, P. Gratier+10 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 2被引用数 65

ひとこと要約

本論文は、IRAM-30m電波望遠鏡を用いて、恒星間空間における直線型C₃H⁺炭化水素カイオンの明確な初回検出を報告している。この検出は、馬頭星雲の原始惑星雲型星間物質領域（PDR）の分析に基づくもので、実験室スペクトロスコピーと化学モデルの両方が裏付けとして用いられている。C₃H⁺は、H₂によるクエンチングが減少するため、高温のPDR環境でより豊富であることが判明し、小分子炭化水素の非気相反応生成経路が存在する可能性を示唆している。その一因として、ポリカルボン酸ヒドロカーブ（PAH）の光エロージョンが挙げられる。

ABSTRACT

We present the first detection of the l-C3H+ hydrocarbon in the interstellar medium. The Horsehead WHISPER project, a millimeter unbiased line survey at two positions, namely the photo-dissociation region (PDR) and the nearby shielded core, revealed a consistent set of eight unidentified lines toward the PDR position. Six of them are detected with a signal-to-noise ratio from 6 to 19, while the two last ones are tentatively detected. Mostly noise appears at the same frequency toward the dense core, located less than 40" away. We simultaneously fit 1) the rotational and centrifugal distortion constants of a linear rotor, and 2) the Gaussian line shapes located at the eight predicted frequencies. The observed lines can be accurately fitted with a linear rotor model, implying a 1Sigma ground electronic state. The deduced rotational constant value is Be= 11244.9512 +/- 0.0015 MHz, close to that of l-C3H. We thus associate the lines to the l-C3H+ hydrocarbon cation, which enables us to constrain the chemistry of small hydrocarbons. A rotational diagram is then used to infer the excitation temperature and the column density. We finally compare the abundance to the results of the Meudon PDR photochemical model.

研究の動機と目的

• 恒星間空間、特に紫外線に照りつけられる高温の馬頭星雲PDRにおいて、いまだに検出が困難であった直線型C₃H⁺カイオンを検出すること。
• C₃H⁺が反応性が高いためにPDR環境でも生存できる化学的・物理的条件を理解すること。
• 観測されたC₃H⁺の濃度が気相反応化学モデルから逸脱しているかどうかを検証し、非気相反応生成経路の可能性を検討すること。
• PDRにおける小分子炭化水素の生成に、微粒子表面反応とPAHの光エロージョンが果たす役割を評価すること。

提案手法

• ミリメートル波長帯で、IRAM-30m電波望遠鏡を用いて馬頭星雲PDRの高分解能周波数スキャンを実施した。
• 実験室スペクトロスコピーのデータと放射線輸送モデルを用いて、l-C₃H⁺の回転遷移線を同定・確認した。
• Meudon PDRコードを用いて観測された線強度と予測値を比較し、更新された微粒子表面化学と気相反応ネットワークを組み込んだ。
• 6''および27''の分解能に一致するビームパターンを用いて、モデル化されたC₃H⁺濃度プロファイルを畳み込み、干渉計観測を模擬した。
• 空間的プロファイルを用いて、C₃H⁺の放射線がC₂HやC₃H₂のミリ波線、あるいは赤外PAH特徴とずれているかどうかを評価した。
• 特にC₃H⁺ + H₂反応の温度依存的反応速度が観測濃度に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 直線型C₃H⁺カイオンは恒星間空間で検出可能であり、そのような条件下で検出可能なのか？
• RQ2 C₃H⁺はH₂と反応性が高いため、冷たいコアと比較して高温PDR環境でより豊富であるのはなぜか？
• RQ3 観測されたC₃H⁺濃度が気相反応化学モデルから逸脱しており、非気相反応生成経路の存在を示唆しているか？
• RQ4 紫外線に照りつけられる領域において、ポリカルボン酸ヒドロカーブ（PAH）の光エロージョンが、C₃H⁺のような小分子炭化水素の主要な供給源である可能性はあるか？
• RQ5 C₃H⁺放射線とC₂H、C₃H₂、PAHなどの他の分子トレーサーとの空間的関係は何か？

主な発見

• 直線型C₃H⁺カイオンが馬頭星雲PDRで明確に検出され、これが恒星間空間におけるこのイオンの初回検出にあたる。
• 観測されたC₃H⁺濃度は、モデル予測値とほぼ同等（約2倍程度）であり、微粒子表面化学を組み込んだMeudon PDRコードと良好な一致を示している。
• C₃H⁺ + H₂反応は強く温度依存的であり、冷たいコア（T ~ 10–20 K）と比較して、高温PDR領域（T ~ 100–300 K）では破壊速度が著しく低下している。
• C₂H⁺の有意な検出は得られなかったが、これはその複雑なスペクトロスコピック構造と低い予測濃度によるものであり、存在は依然として可能である。
• C₂Hの測定濃度は依然としてモデル値より1桁低い水準にあり、C₃H₂と比較してC₂Hの微粒子への付着速度が速いことが示唆される。
• 空間的プロファイル解析から、高分解能干渉計観測がC₃H⁺放射線の真の形状を解明し、PAHやダストと比較してずれがあるかどうかを検証するために不可欠であることがわかった。