[論文レビュー] The Molecular Chemistry of Diffuse and Translucent Clouds in the Line-of-Sight to Sgr B2

Joanna Corby, Brett A. McGuire+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 70被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、Sgr B2への視線方向における散乱および半透明な雲における分子吸収を、GBT PRIMOS調査を用いて分析し、11種の分子および同位体便宜体の核密度と含有量を測定した。分子分率は銀河中心に向かって増加し（f(H₂) > 0.9）、CS含有量は雲の構造と系atically関係しており、l-C₃H⁺は初めて散らばった雲で検出された。これは、銀河円盤内に不連続で高密度な部分構造が存在し、モデルで予測されていない硫黄を含む化学反応が進行している可能性を示唆している。

ABSTRACT

The 1-50 GHz GBT PRIMOS data contains ~50 molecular absorption lines observed in diffuse and translucent clouds located in the Galactic Center, Bar, and spiral arms in the line-of-sight to Sgr B2(N). We measure the column densities and estimate abundances, relative to H2, of 11 molecules and additional isotopologues. We use absorption by optically thin transitions of c-C3H2 to estimate the N(H2), and argue that this method is preferable to more commonly used methods. We discuss the kinematic structure and abundance patterns of small molecules including the sulfur-bearing species CS, SO, CCS, H2CS, and HCS+; oxygen-bearing molecules OH, SiO, and H2CO; and simple hydrocarbon molecules c-C3H2, l-C3H, and l-C3H+. We discuss the implications of the observed chemistry for the structure of the gas and dust in the ISM. Highlighted results include the following. First, whereas gas in the disk has a molecular hydrogen fraction of 0.65, clouds on the outer edge of the Galactic Bar and in or near the Galactic Center have molecular fractions of 0.85 and >0.9, respectively. Second, we observe trends in isotope ratios with Galactocentric distance; while carbon and silicon show enhancement of the rare isotopes at low Galactocentric distances, sulfur exhibits no trend with Galactocentric distance; the ratio of c-C3H2/c-H13CCCH provides a good estimate of the 12C:13C ratio, whereas H2CO/H2^13CO exhibits fractionation. Third, we report the presence of l-C3H+ in diffuse clouds for the first time. Finally, we suggest that CS has an enhanced abundance within higher density clumps of material in the disk, and therefore may be diagnostic of cloud conditions. If this holds, the diffuse clouds in the Galactic disk contain multiple embedded hyperdensities in a clumpy structure, and the density profile is not a simple function of A_V.

研究の動機と目的

• Sgr B2への視線方向における散らばったおよび半透明な雲内の単純な有機および無機分子の核密度と相対含有量を測定すること。
• 分子吸収特徴を用いて、銀河円盤、バーレイ、中心部における星間媒体（ISM）の物理的および化学的構造を評価すること。
• c-C₃H₂がH₂核密度のトレーサーとして信頼できるかどうかを評価し、従来の手法と比較すること。
• ガロア的中心距離に伴う同位体比勾配および分馏傾向を調査すること。
• CSおよび他の硫黄含有種が、雲の密度および構造の診断に有効かどうかを検討すること。

提案手法

• 1–50 GHz の PRebiotic Interstellar MOlecular Survey (PRIMOS) を用いて、銀河平面における11種の分子および同位体便宜体の吸収ラインを検出した。
• 核密度は、主にc-C₃H₂を用いてH₂核密度を推定する弱い、光学的薄い遷移の光学的厚さから導出された。
• H₂核密度と分子核密度を用いて、H₂に対する相対含有量を計算した。
• 運動的構造およびラインプロファイル解析を用いて、個別の雲成分とその物理的状態を特定した。
• 同位体比（¹²C/¹³C、²⁸Si/²⁹Si、³²S/³⁴S）を測定し、ガロア的中心距離との相関関係を評価して化学勾配を検証した。
• CS、SO、H₂CO、その他の種の比較的分析を実施し、雲の密度および構造との相関関係を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Sgr B2への視線方向における散らばったおよび半透明な雲のガロア的中心距離に伴う分子含有量および同位体比は、どのように変化するか？
• RQ2 c-C₃H₂はH₂核密度の信頼できるトレーサーとして使用可能であり、従来の手法を上回る性能を示すか？
• RQ3 硫黄含有分子（CS、SO、HCS⁺、H₂CS、CCS）の含有量パターンは、ISMの物理的構造および密度分布にどのような情報を与えるか？
• RQ4 なぜCS含有分子はモデル予測よりも顕著に過剰に存在するのか？また、それらは高密度クラウドの診断に有効か？
• RQ5 SiOとCSの運動的プロファイルはどのように異なり、ISM内における衝撃構造およびクラウドの生存性に何を示唆するか？

主な発見

• 分子状水素分率は銀河中心に向かって増加し、中心部ではf(H₂) > 0.9に達する一方、銀河円盤部では0.65にとどまる。
• c-C₃H₂/c-H¹³CCCHを用いた¹²C/¹³C比は、ガロア的中心距離とともに増加する傾向を示し、銀河的化学勾配と整合的である。
• ²⁸Si/²⁹Si比は、銀河中心部で約13からバー部で約21に増加し、ケイ素同位体に径方向勾配があることを示している。
• CS/C³⁴Sを用いて測定した³²S/³⁴S比は、ガロア的中心距離に顕著な傾向を示さず、過去の測定値よりも3～4倍低い値であった。
• l-C₃H⁺は、初めて散らばった雲で検出された。これは、UVによって促進される生成経路があり、UV線量計としての可能性を示唆している。
• CSは銀河円盤部で強い、狭い吸収特徴を示し、埋め込まれた高密度クラウドを示しているが、中心部およびバー部では広く均一なプロファイルを示し、雲の構造が異なることを示している。