[論文レビュー] Unveiling the chemistry of interstellar CH: Spectroscopy of the 2 THz $N=2\leftarrow 1$ ground state line

H. Wiesemeyer, R. Güsten+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2018

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 79被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、SOFIA/GREATを用いた、銀河間CHの149 µm $N=2\leftarrow 1$遷移の高分解能遠赤外分光測定を用い、希薄から高密度の銀河間環境にわたり分子水素（H₂）をトレースする。CHがH₂の強力なプロキシとして確認され、反応の内因性エネルギー源としての乱流による活性化により、希薄で乱流の強い領域でCHの過剰が生じることを示した。また、サブミリ波長と遠赤外線のライン解析を併用することで、高質量星形成領域におけるCHの信頼性を裏付けた。

ABSTRACT

The methylidyne radical CH is commonly used as a proxy for H$_2$ in the cold, neutral phase of the interstellar medium. The optical spectroscopy of CH is limited by interstellar extinction, whereas far-infrared observations provide an integral view through the Galaxy. While the HF ground state absorption, another H$_2$ proxy in diffuse gas, frequently suffers from saturation, CH remains transparent both in spiral-arm crossings and high-mass star forming regions, turning this light hydride into a universal surrogate for H$_2$. However, in slow shocks and in regions dissipating turbulence its abundance is expected to be enhanced by an endothermic production path, and the idea of a "canonical" CH abundance needs to be addressed. The $N=2\leftarrow 1$ ground state transition of CH at $λ149\,μ$m has become accessible to high-resolution spectroscopy thanks to GREAT aboard SOFIA. Its unsaturated absorption and the absence of emission makes it an ideal candidate for the determination of column densities with a minimum of assumptions. Here we present an analysis of four sightlines towards distant, far-infrared bright Galactic star forming regions. If combined with the sub-millimeter line of CH at $λ560\,μ$m, environments forming massive stars can be analyzed. For this we present a case study on the "proto-Trapezium" cluster W3 IRS5, and demonstrate that the sub-millimeter/far-infrared lines of CH reliably trace not only diffuse but also dense, molecular gas. While we confirm the global correlation between the column densities of HF and those of CH, clear signposts of an over-abundance of CH are observed towards lower densities. A quiescent ion-neutral chemistry alone cannot account for this over-abundance. Vortices forming in turbulent, diffuse gas may be the setting for an enhanced production path.

研究の動機と目的

• COが自己遮蔽を受けるなど、従来のトレーサーが機能しない領域においても、分子水素（H₂）を普遍的にトレースできるCHの信頼性を調査すること。
• 希薄で半透明な雲におけるCHの濃度変動が、非標準的な化学経路、特に乱流によって活性化された内発的反応によって説明可能かどうかを特定すること。
• 149 µmのCH遷移が、高質量星形成領域において560 µmのラインと併用されることで、希薄および高密度ガスを効果的にプローブできるかを評価すること。
• W3 IRS5プロトトラペジウム集団におけるCHの励起状態と吸収断面密度を、多成分ラインフィッティングとダスト連続スペクトルの比較を用いて特徴づけること。
• HF吸収が飽和するような、高い光学的厚さを示す環境でもCHがプロキシとして有効かどうかを検証すること。

提案手法

• SOFIA搭載のGREAT機器を用いた、CHの$N=2\leftarrow 1$基底状態遷移（149 µm）の高分解能分光測定により、飽和しない吸収測定が可能となった。
• 高温コアからの明るい遠赤外ダスト連続スペクトルをバックグラウンド源として用い、銀河の星形成領域に向かう4つの視線方向におけるCH吸収を分析した。
• 高質量星形成領域における発光成分と吸収成分を分離するため、CHの149 µmおよび560 µmの基底状態遷移を併用して解析した。
• 多成分ガウスフィッティングを用いてCHおよびHFのラインプロファイルを成分別に分離し、包囲ガスの低励起状態からの吸収と、ホットコアからの発光を分離した。
• 850 µmでのダスト連続スペクトルと照らし合わせ、算出されたCHの吸収断面密度をもとにH₂の吸収断面密度を推定し、CH–H₂相関関係の妥当性を検証した。
• 将来の3 GHz周波数帯におけるハイパーファイン遷移の電波干渉計観測を用いて、放射線輸送モデルとビームフィリング係数の推定を実施し、励起診断を改善した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 COが自己遮蔽を受けるなど、従来のトレーサーが機能しない希薄で半透明な銀河間雲において、CHが分子水素の信頼できるプロキシとして有効かどうか？
• RQ2 希薄で減光量が小さい領域で観測されるCHの過剰は、どのような要因によるものであり、内発的反応（特に乱流によって活性化された反応）によって説明可能か？
• RQ3 さまざまな銀河間環境において、CHとHFの吸収断面密度の相関関係はどのように変化するか？これにより、化学経路に関する何が示唆されるか？
• RQ4 149 µmおよび560 µmのCH遷移を併用することで、高密度で高質量の星形成領域における励起状態と吸収断面密度の構造を解明できるか？
• RQ5 W3 IRS5プロトクラスターにおけるCH濃度は、ダスト連続スペクトルによる検証を経て、真のH₂吸収断面密度をどれほど正確に反映しているか？

主な発見

• スパイラルアームおよびインターバー領域の両方で、CHとHFの吸収断面密度間に顕著な相関関係が確認され、中央値$N(\mathrm{CH})/N(\mathrm{HF}) \simeq 0.4$が得られた。これは一貫性のある化学的関係を示している。
• 希薄で減光量が小さい環境（$A_V \lesssim 0.3$）では、CHの吸収断面密度に二峰性の分布が観測され、低成分は$\mathrm{C}^+ + \mathrm{H}_2 \rightarrow \mathrm{CH}^+ + \mathrm{H}$の後に続く$\mathrm{CH}^+ + \mathrm{H}_2 \rightarrow \mathrm{CH}_2^+ + \mathrm{H}$反応と解離再結合による内発的生成によって生じるCHの過剰を示している。
• 希薄ガスにおけるCHの過剰は、標準的なイオン-中性子反応ではなく、乱流の散逸が反応の活性化エネルギー（約4640 K）を供給していることによるものと特定された。
• W3 IRS5プロトクラスターにおいて、149 µmおよび560 µmのCHラインは、希薄な包囲ガスと高密度のホットコア成分を両方トレースしており、CHが広い密度動的範囲にわたる分子ガスを効果的にトレースできることを示している。
• CHの濃度比$N(\mathrm{CH})/N(\mathrm{H_2}) = 3.5 \times 10^{-8}$から算出されたH₂吸収断面密度は、850 µmのダスト放射からの推定値と2倍以内で一致しており、CHがH₂トレーサーとして信頼できることが裏付けられた。
• OH/CH濃度比は$2.37 \pm 0.15$と決定され、化学モデルと整合的であり、希薄ガスにおけるCHトレーサーの整合性を強化した。