[論文レビュー] The physical and chemical structure of Sagittarius B2. III. Radiative transfer simulations of the hot core SgrB2(M) for methyl cyanide

S. Pols, A. Schwoerer+4 more|Kölner Universitäts PublikationsServer (Universität zu Köln)|Feb 26, 2018

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 38被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、ALMA観測と3次元放射線輸送モデルを用いて、Sgr B2(M)のホットコアにおけるメチルシアン化水素（CH₃CN）の物理的・化学的構造を再構築した。CH₃CNの分布は一様でなく、コア中心部で低濃度であることが明らかになった。また、北から南へのドップラー速度勾配が確認されたが、振動励起状態の線が低く見積もられていることから、一部の領域ではガス温度がダスト温度を上回っている可能性がある。

ABSTRACT

We model the emission of methyl cyanide (CH3CN) lines towards the massive hot molecular core SgrB2(M). We aim at reconstructing the CH3CN abundance field and investigating the gas temperature distribution as well as the velocity field. SgrB2(M) was observed with the ALMA in a spectral line survey from 211 to 275 GHz. This frequency range includes several transitions of CH3CN (including isotopologues and vibrationally excited states). We employ the three-dimensional radiative transfer toolbox Pandora in order to retrieve the velocity and abundance field by modeling different CH3CN lines. For this purpose, we base our model on the results of a previous study that determined the physical structure of SgrB2(M), i.e.\ the distribution of dust dense cores, ionized regions and heating sources. The morphology of the CH3CN emission can be reproduced by a molecular density field that consists of a superposition of cores with modified Plummer-like density profiles. The averaged relative abundance of CH3CN with respect to H2 ranges from 4x10^{-11} to 2x10^{-8} in the northern part of SgrB2(M) and from 2x10^{-10} to 5x10^{-7} in the southern part. In general, we find that the relative abundance of CH3CN is lower at the center of the very dense and hot cores, causing the general morphology of the CH3CN emission to be shifted with respect to the dust continuum emission. The dust temperature calculated by the radiative transfer simulation based on the available luminosity reaches values up to 900 K. However, in some regions vibrationally excited transitions of CH3CN are underestimated by the model, indicating that the predicted gas temperature, which is assumed to be equal to the dust temperature, is partly underestimated. The determination of the velocity component along the line of sight reveals that a velocity gradient from the north to the south exists in SgrB2(M).

研究の動機と目的

• 高分解能ALMAデータを用いて、Sgr B2(M)ホット分子コア内におけるCH₃CNの3次元濃度、温度、および速度構造を再構築すること。
• 特に高密度中心領域において、CH₃CNの線放出の形態とダスト連続スペクトルの乖離を調査すること。
• モデルで得られたガス温度が、観測された線強度（特に振動励起状態および高K遷移）と一致するかを検証すること。
• 非球対称性と改善された連続スペクトルモデルの役割が、中心領域における複雑なスペクトル特徴（吸収を含む）を再現するにあたり、どのように寄与するかを評価すること。
• Sgr B2(M)の物理的状態を、よりコンactなSgr B2(N)コアと比較し、高質量星形成の進化に関する知見を得ること。

提案手法

• 211–275 GHzのALMAスペクトルサーベイデータを用い、同位体体および振動励起状態を含む複数のCH₃CN遷移をカバーした。
• Sgr B2(M)の物理的モデル（論文Iで提案）に基づき、ダストコア、H II領域、加熱源を含む3次元放射線輸送コードPandoraを適用した。
• 修正されたPlummer型密度プロファイルの重ね合わせを用いて、ホットコア内における分子ガス分布を表現した。
• 3次元体積全域でCH₃CN濃度、ガス温度、および速度場を調整することで、観測された線強度、プロファイル、および線幅をフィットした。
• モデル予測と観測結果を比較し、特に南側および中心領域での乖離を特定した。
• 高解像度（約0.7"、6000 au）での明るいダスト連続スペクトルが、中心領域の吸収特徴の原因であるかどうかを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜSgr B2(M)の最も高密度な領域ではCH₃CNの線放出形態がダスト連続スペクトルからずれているのか？
• RQ2 全体の線に対しては良好なフィットが得られているにもかかわらず、なぜCH₃CNの振動励起状態および高K遷移がモデルで低く見積もられているのか？
• RQ3 Sgr B2(M)中心領域で観測された吸収特徴の原因は何か？ そして、現在の連続スペクトルおよび放射線輸送モデルで再現可能か？
• RQ4 CH₃CNの速度場はコアの力学的構造をどのように示しており、北から南への勾配はガスの運動にどのような意味を持つのか？
• RQ5 高密度コアにおいて球対称性を仮定することは、3次元放射線輸送モデルの精度にどの程度制限を及えるのか？

主な発見

• 北側（r = 1000 au）におけるCH₃CNのH₂に対する平均相対濃度は1.1 × 10⁻⁹（範囲：4 × 10⁻¹¹ ～ 2 × 10⁻⁸）、南側（r = 1000 au）では9 × 10⁻⁸（範囲：2 × 10⁻¹⁰ ～ 5 × 10⁻⁷）であった。
• 最も高密度で高温なコアの中心部ではCH₃CN濃度が顕著に低く、CH₃CN線放出とダスト連続スペクトルピークのずれが説明された。
• 振動励起状態および高K遷移のCH₃CN線が系統的に低く見積もられており、モデル化されたガス温度が低すぎるか、または放射励起効果が考慮されていない可能性を示唆している。
• 明確な視線方向のドップラー速度勾配が存在し、北で50 km s⁻¹、南で67 km s⁻¹、システム的ドップラー速度は約64 km s⁻¹であった。
• 中心領域の吸収特徴は、H II領域や他の構造ではなく、高解像度での明るいダスト連続スペクトル（輝度温度 ~180 K）に起因している。
• モデルは中心領域のすべてのスペクトル特徴を再現できず、温度構造の欠陥や高密度コアにおける球対称性の仮定の限界が示唆された。