[논문 리뷰] Herschel HIFI Observations of the Sgr A +50 km/s Cloud. Deep Searches for O2 in Emission and Foreground Absorption

Å. Sandqvist, Bengt Larsson외 9명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 22.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 44인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 은하중심에 위치한 밀도 높은 분자 영역인 Sgr A +50 km/s 구름에서 분자 산소(O₂)를 탐색하기 위해 Herschel HIFI 관측을 사용한다. 방출이 검출되지 않았음에도 불구하고 3σ 상한선 X(O₂)/X(H₂) ≤ 5×10⁻⁸이 확립되었으며, 약한 흡수 피크는 전방의 나선 팔 영역에 존재할 수 있는 O₂를 시사하며, 추정되는 농도는 약 ~10⁻⁵까지 가능하여 밀도 높은 기체에서 충격에 의해 생성된 O₂일 가능성을 암시한다.

ABSTRACT

To date O2 has definitely been detected in only two sources, namely rho Oph A and Orion, reflecting the extremely low abundance of O2 in the interstellar medium. One of the sources in the HOP program is the +50 km/s Cloud in the Sgr A Complex in the centre of the Milky Way. The Herschel HIFI is used to search for the 487 and 774 GHz emission lines of O2. No O2 emission is detected towards the Sgr A +50 km/s Cloud, but a number of strong emission lines of methanol (CH3OH) and absorption lines of chloronium (H2Cl+) are observed. A 3 sigma upper limit for the fractional abundance ratio of (O2)/(H2) in the Sgr A +50 km/s Cloud is found to be X(O2) less than 5 x 10(-8). However, since we can find no other realistic molecular candidate than O2 itself, we very tentatively suggest that two weak absorption lines at 487.261 and 487.302 GHz may be caused by the 487 GHz line of O2 in two foreground spiral arm clouds. By considering that the absorption may only be apparent, the estimated upper limit to the O2 abundance of less than (10-20) x 10(-6) in these foreground clouds is very high. This abundance limit was determined also using Odin non-detection limits. If the absorption is due to a differential Herschel OFF-ON emission, the O2 fractional abundance may be of the order of (5-10) x 10(-6). With the assumption of pure absorption by foreground clouds, the unreasonably high abundance of (1.4-2.8) x 10(-4) was obtained. The rotation temperatures for CH3OH-A and CH3OH-E lines in the +50 km/s Cloud are found to be 64 and 79 K, respectively, and the fractional abundance of CH3OH is approximately 5 x 10(-7).

연구 동기 및 목표

• 은하중심에 위치한 거대한 분자구름인 Sgr A +50 km/s 구름에서 분자 산소(O₂)를 깊이 있는 적외선 분광법을 통해 탐색하기 위해.
• 은하중심의 극한 물리 조건—Sgr A East에서 기인하는 충격 및 고에너지 복사—이 O₂ 생성을 유리하게 작용하는지 평가하기 위해.
• 487 GHz 대역에서 관측된 약한 흡수 피크가 전방의 은하 나선 팔 영역의 O₂ 때문일 가능성에 대해 조사하기 위해.
• 화학적 충격 모델 예측값과 이전의 Odin 위성에서의 비검출 결과와 비교하여 유도된 O₂ 농도 상한선을 평가하기 위해.
• 해당 구름 내 분자화학의 기준으로 사용하기 위해 메탄올(CH₃OH)의 진동 온도와 농도를 결정하기 위해.

제안 방법

• Herschel Heterodyne Instrument for the Far Infrared(HIFI)를 사용하여 487 GHz 및 774 GHz에서 O₂ 회전 전이를 타겟으로 고해상도 분광법을 수행하였다.
• ON-OFF 비트 관측을 통해 전방 흡수와 내재된 방출을 구분하기 위해 487 GHz 대역의 방출 및 흡수 피크를 분석하였다.
• 혼합되지 않은 CH₃OH-A 및 CH₃OH-E 선을 대상으로 인구도표 분석을 수행하여 회전 온도를 유도하였다.
• 지역 열역학적 평형을 가정하여 RADEX 복사전달 모델링을 사용하여 O₂ 및 CH₃OH의 열역학적 밀도와 분율 농도를 유도하였다.
• 약한 흡수 선에 대한 대안적 설명을 평가하였으며, cis-HOCO와 같은 다른 분자의 오염 가능성을 고려하고, Einstein A 계수를 사용하여 비-O₂ 후보를 배제하였다.
• Herschel 데이터와 Odin 위성에서의 비검출 상한선을 융합하여 다양한 물리적 가정 하에 전방 구름 내 O₂ 농도를 제약하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀도 높고 고온인 은하중심 근처의 Sgr A +50 km/s 구름에서 분자 산소(O₂)는 탐지 가능한가?
• RQ2 487.261 및 487.302 GHz에서 관측된 약한 흡수 피크는 타겟 구름이 아닌 전방의 은하 나선 팔 영역에 존재하는 O₂ 때문일 수 있는가?
• RQ3 방출이 비검출된 상황에서 Sgr A +50 km/s 구름 내 O₂의 H₂ 대비 분율 농도 상한선은 얼마인가?
• RQ4 유도된 전방 구름 내 O₂ 농도는 유사한 환경에서 예측된 화학적 충격 모델의 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 +50 km/s 구름 내 메탄올(CH₃OH)의 진동 온도와 농도는 얼마이며, 이는 은하중심에서 일반적으로 관측되는 값과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• Sgr A +50 km/s 구름 방향으로 O₂ 방출은 검출되지 않았으며, 이에 따라 3σ 상한선 X(O₂)/X(H₂) ≤ 5×10⁻⁸이 확립되었다.
• CH₃OH-A 및 CH₃OH-E 선의 회전 온도는 각각 약 64 K 및 79 K로 추정되었으며, 이는 구름 내의 운동온도 약 80 K와 일치한다.
• 구름 내 CH₃OH의 분율 농도는 약 5×10⁻⁷로 유도되었으며, 이는 내부 은하중심에서 일반적인 값보다 略로 높은 것으로 나타났다.
• 487.261 및 487.302 GHz에서 관측된 두 개의 약한 흡수 피크는 전방 나선 팔 영역의 O₂에 기인한 것으로 추정되며, 차별적 방출에 기인할 경우 추정 농도는 약 ~5–10×10⁻⁶, 순수 흡수에 기인할 경우 최대 1.4–2.8×10⁻⁴까지 가능하다.
• Odin 위성의 비검출 상한선과 Herschel 데이터를 융합한 결과, 약한 초과 방출을 가정할 경우 전방 구름 내 O₂ 농도는 ≤(1–2)×10⁻⁵로 제약된다.
• 단순 모델은 은하 나선 밀도파에 기인한 충격이 30 K, 1000 cm⁻³ 조건에서 O₂를 생성할 수 있음을 시사하며, 이는 전방 구름 내 관측된 농도 범위와 일치한다.