[論文レビュー] Warm water deuterium fractionation in IRAS 16293-2422 - The high-resolution ALMA and SMA view

M. V. Persson, J. K. Jørgensen+1 more|Leiden Repository (Leiden University)|Nov 28, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 34被引用数 33

ひとこと要約

本研究では、高分解能のALMAおよびSMA観測を用いて、埋め込まれた原始星二重星IRAS 16293-2422の内側領域における温泉水の重水素分率（HDO/H₂O）を測定した。その比は(9.2 ± 2.6) × 10⁻⁴であり、以前の推定値よりも顕著に低く、地球の海や彗星の値と一致しており、内側原始星環境での化学的処理が最小限であることを示唆している。

ABSTRACT

Measuring the water deuterium fractionation in the inner warm regions of low-mass protostars has so far been hampered by poor angular resolution obtainable with single-dish ground- and space-based telescopes. Observations of water isotopologues using (sub)millimeter wavelength interferometers have the potential to shed light on this matter. Observations toward IRAS 16293-2422 of the 5(3,2)-4(4,1) transition of H2-18O at 692.07914 GHz from Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) as well as the 3(1,3)-2(2,0) of H2-18O at 203.40752 GHz and the 3(1,2)-2(2,1) transition of HDO at 225.89672 GHz from the Submillimeter Array (SMA) are presented. The 692 GHz H2-18O line is seen toward both components of the binary protostar. Toward one of the components, "source B", the line is seen in absorption toward the continuum, slightly red-shifted from the systemic velocity, whereas emission is seen off-source at the systemic velocity. Toward the other component, "source A", the two HDO and H2-18O lines are detected as well with the SMA. From the H2-18O transitions the excitation temperature is estimated at 124 +/- 12 K. The calculated HDO/H2O ratio is (9.2 +/- 2.6)*10^(-4) - significantly lower than previous estimates in the warm gas close to the source. It is also lower by a factor of ~5 than the ratio deduced in the outer envelope. Our observations reveal the physical and chemical structure of water vapor close to the protostars on solar-system scales. The red-shifted absorption detected toward source B is indicative of infall. The excitation temperature is consistent with the picture of water ice evaporation close to the protostar. The low HDO/H2O ratio deduced here suggests that the differences between the inner regions of the protostars and the Earth's oceans and comets are smaller than previously thought.

研究の動機と目的

• 高角分解能を用いて、埋め込まれた原始星二重星IRAS 16293-2422の温いガスにおける水の重水素分率（HDO/H₂O）を測定すること。
• 単一ディッシュ観測に起因する限界を克服すること。特に、小スケールでのビーム拡散と物理的モデリングの不確実性。
• 原始星の内側温い領域におけるHDO/H₂O比が、地球の海や彗星の値と一致するかどうかを特定すること。
• 干渉計データを用いて、内側包層における水の同素体の励起温度、および核密度を評価すること。
• 25–280 AUスケールで発光を解像することで、内側原始星領域における重水素化レベルに対するモデルに依存しない制約を提供すること。

提案手法

• ALMAを用いて、IRAS 16293-2422の両成分に対して692.07914 GHzのH₂¹⁸O 5₃,₂–4₄,₁遷移を観測した。
• SMAを用いて、源Aに対してH₂¹⁸O 3₁,₃–2₂,₀遷移（203.40752 GHz）およびHDO 3₁,₂–2₂,₁遷移（225.89672 GHz）を観測した。
• 局所熱力学的平衡を仮定して、H₂¹⁸O遷移の相対的な線強度から励起温度を導出した。
• ビーム拡散の補正および¹⁶O/¹⁸O比が560であると仮定して、HDOおよびH₂¹⁸Oの核密度を回転図法を用いて推定した。
• 導出された核密度からHDO/H₂O比を計算し、フラックス校正および励起温度の変動に基づく不確実性を推定した。
• 空間的広がりへの感受性を検証するため、HDOの発光がH₂¹⁸Oよりも広がっている可能性を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高分解能干渉計観測により、IRAS 16293-2422の内側原始星環境における温いガスのHDO/H₂O比は何か？
• RQ2 測定されたHDO/H₂O比は、地球の海や彗星の氷中の値とどのように比較されるか？
• RQ3 観測された水の同素体発光を支配する物理的条件（例：励起温度、空間的広がり）は何か？
• RQ4 観測されたHDO/H₂O比は、原始星段階から惑星系形成までの間における水の顕著な化学的処理を示唆するか？
• RQ5 高分解能干渉計データは、過去の単一ディッシュ観測と理論的予想との不一致を解消できるか？

主な発見

• 692 GHzのH₂¹⁸O線は、IRAS 16293-2422の両成分に対して検出された。源Bでは赤シフトした吸収が観測され、降着運動を示唆している。
• 源Aにおける温泉水蒸気の励起温度は124 ± 12 Kと推定され、原始星近傍での氷の蒸発と整合的である。
• 源Aの温いガスにおけるHDO/H₂O比は(9.2 ± 2.6) × 10⁻⁴であり、以前の単一ディッシュ観測からの推定値よりも顕著に低い。
• この比は、地球の海の3 × 10⁻⁴よりもわずかに高く、彗星ハートレー2で測定された3.2 × 10⁻⁴に近い。
• 励起温度が80 Kの場合には(7.8 ± 2.2) × 10⁻⁴、300 Kの場合には(1.1 ± 0.3) × 10⁻³と推定され、妥当な物理的条件下でも一貫性があることが示された。
• ビーム拡散および空間的広がりの仮定に対して、観測されたHDO/H₂O比は頑健であるが、HDO発光がH₂¹⁸Oよりも広がっている場合には上限値である可能性がある。