[論文レビュー] The IRAM-30m line survey of the Horsehead PDR: IV. Comparative chemistry of H2CO and CH3OH

Viviana V. Guzmán, J. R. Goicoechea+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2013

Spectroscopy and Laser Applications被引用数 34

ひとこと要約

本研究は、Horsehead PDRおよび凝縮核におけるH₂COおよびCH₃OHの生成および放出メカニズムを、深さのあるIRAM-30mおよびPdBI観測を用いて調査している。両分子は主にダスト粒子上での生成とPDRにおける光脱着によるガス相への放出を経て生成するが、凝縮核ではCH₃OHは粒子上から生成され光脱着される一方、H₂COは主にガス相で生成され、H₂CO/CH₃OHの混合比はPDRでは約2.3から凝縮核では約0.9に低下する。

ABSTRACT

Aims. We investigate the dominant formation mechanism of H2CO and CH3OH in the Horsehead PDR and its associated dense core. Methods. We performed deep integrations of several H2CO and CH3OH lines at two positions in the Horsehead, namely the PDR and dense core, with the IRAM-30m telescope. In addition, we observed one H2CO higher frequency line with the CSO telescope at both positions. We determine the H2CO and CH3OH column densities and abundances from the single-dish observations complemented with IRAM-PdBI high-angular resolution maps (6") of both species. We compare the observed abundances with PDR models including either pure gas-phase chemistry or both gas-phase and grain surface chemistry. Results. We derive CH3OH abundances relative to total number of hydrogen atoms of ~1.2e-10 and ~2.3e-10 in the PDR and dense core positions, respectively. These abundances are similar to the inferred H2CO abundance in both positions (~2e-10). We find an abundance ratio H2CO/CH3OH of ~2 in the PDR and ~1 in the dense core. Pure gas-phase models cannot reproduce the observed abundances of either H2CO or CH3OH at the PDR position. Both species are therefore formed on the surface of dust grains and are subsequently photodesorbed into the gas-phase at this position. At the dense core, on the other hand, photodesorption of ices is needed to explain the observed abundance of CH3OH, while a pure gas-phase model can reproduce the observed H2CO abundance. The high-resolution observations show that CH3OH is depleted onto grains at the dense core. CH3OH is thus present in an envelope around this position, while H2CO is present in both the envelope and the dense core itself. Conclusions. Photodesorption is an efficient mechanism to release complex molecules in low FUV-illuminated PDRs, where thermal desorption of ice mantles is ineffective.

研究の動機と目的

• 低紫外線放射環境下のHorsehead PDRおよび関連する凝縮核におけるH₂COおよびCH₃OHの主な生成経路を特定すること。
• 特に光脱着を含む非熱的脱着プロセスが、複雑な氷被膜物質をガス相に放出する役割を果たすかどうかを評価すること。
• 純ガス相化学モデルと粒子表面化学モデルの予測値と観測された分子混合比を比較すること。
• 高解像度干渉計マップを用いてH₂COおよびCH₃OHの空間的分布および励起状態を調査すること。
• 回転線放出からオルト体対パラ体比および運動温度を制約すること。

提案手法

• PDRおよび凝縮核の2地点における、IRAM-30m電波望遠鏡を用いた複数のH₂COおよびCH₃OH回転遷移の深さのある単独電波アンプ統合観測。
• IRAM PdBIを用いた高空間分解能（6角秒）の干渉計観測により、両地点におけるH₂COおよびCH₃OHの放射をマッピング。
• 観測された線強度およびドップラー速度プロファイルを用いてスペクトル線フィッティングを行い、核密度および励起温度を導出。
• PDRモデルに純ガス相化学またはガス相・粒子表面化学の併用を組み込んだ予測値と、観測された混合比および線比を比較。
• 特にCH₃OHに対しては、放射輸送モデルにおける電子衝突励起を用いて運動温度および密度を特定。
• CH₃OHのオルト体対パラ体比の分析により、生成および励起条件を推定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低FUV放射環境下のHorsehead PDRにおけるH₂COおよびCH₃OHの主な生成機構は何か？
• RQ2 氷被膜を有する粒子表面からの光脱着が、観測されたガス相におけるH₂COおよびCH₃OHの混合比にどの程度寄与しているか？
• RQ3 なぜPDRにおけるH₂CO/CH₃OH混合比（約2.3）は凝縮核（約0.9）よりも高いのか？
• RQ4 H₂COおよびCH₃OHの空間的分布にはどのような相違があり、それらは生成および脱着プロセスに何を示唆しているか？
• RQ5 純ガス相化学モデルは、両領域における観測されたH₂COおよびCH₃OHの混合比を再現できるか？

主な発見

• PDRにおけるCH₃OHの混合比は約1.2×10⁻¹⁰（H基準）、凝縮核では約2.3×10⁻¹⁰であり、H₂COの混合比は両領域で約2×10⁻¹⁰である。
• PDRにおけるH₂CO/CH₃OH混合比は約2.3±0.4、凝縮核では約0.9±0.1であり、両領域で異なる化学経路が働くことが示唆される。
• 純ガス相モデルでは、PDRにおけるCH₃OHの観測混合比を桁違いに低く見積もるため、粒子表面での生成と光脱着が不可欠であることが判明。
• 凝縮核では、純ガス相モデルはH₂COの観測混合比を再現できるが、CH₃OHについては約5桁の差異を示し、CH₃OHは粒子表面で生成されていることが示唆される。
• 高解像度PdBIマップにより、CH₃OHは凝縮核で欠損しており、エンベロープに存在する一方、H₂COは核およびエンベロープの両方で検出された。
• PDRにおけるCH₃OHのオルト体対パラ体比は約2、凝縮核では約3であり、それぞれ異なる生成および励起条件に一致している。