[論文レビュー] Antifreeze in the hot core of Orion - First detection of ethylene glycol in Orion-KL

N. Brouillet, D. Despois+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2015

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 49被引用数 29

ひとこと要約

本研究は、ALMAおよびIRAM PdBIの干渉計測定データを用いて、オリオン-KLのホットコアでエチレングリコール（CH2OH)2の初回検出を報告している。aGg'形態は、4.6 ± 0.8 × 10¹⁵ cm⁻²の核密度と145 ± 30 Kの回転温度で同定され、コメットのハレー＝ボップなどと比較してオリオン-KLにおけるエチレングリコールの含有量が著しく低いことが明らかになり、星間空間とコメットにおける有機化学に顕著な相違を示している。

ABSTRACT

Comparison of their chemical compositions shows, to first order, a good agreement between the cometary and interstellar abundances. However, a complex O-bearing organic molecule, ethylene glycol (CH$_{2}$OH)$_{2}$, seems to depart from this correlation because it was not easily detected in the interstellar medium although it proved to be rather abundant with respect to other O-bearing species in comet Hale-Bopp. Ethylene glycol thus appears, together with the related molecules glycolaldehyde CH$_{2}$OHCHO and ethanol CH$_{3}$CH$_{2}$OH, as a key species in the comparison of interstellar and cometary ices as well as in any discussion on the formation of cometary matter. We focus here on the analysis of ethylene glycol in the nearest and best studied hot core-like region, Orion-KL. We use ALMA interferometric data because high spatial resolution observations allow us to reduce the line confusion problem with respect to single-dish observations since different molecules are expected to exhibit different spatial distributions. Furthermore, a large spectral bandwidth is needed because many individual transitions are required to securely detect large organic molecules. Confusion and continuum subtraction are major issues and have been handled with care. We have detected the aGg' conformer of ethylene glycol in Orion-KL. The emission is compact and peaks towards the Hot Core close to the main continuum peak, about 2" to the south-west; this distribution is notably different from other O-bearing species. Assuming optically thin lines and local thermodynamic equilibrium, we derive a rotational temperature of 145 K and a column density of 4.6 10$^{15}$ cm$^{-2}$. The limit on the column density of the gGg' conformer is five times lower.

研究の動機と目的

• オリオン-KLという代表的なホットコアにおけるエチレングリコールの含有量を測定し、星間およびコメット氷の組成の相関関係を検証すること。
• エチレングリコールがコメットでは豊富に検出される一方で、星間空間では未検出に近いという検出の不一致を解消すること。
• 高分解能干渉計測定データを用いて、オリオン-KLにおけるエチレングリコールの空間的分布および形態状態を調査すること。
• オリオン-KLにおけるエチレングリコールおよび関連分子（例：エタノール、グリオキシアルデヒド）の相対含有量を、コメットおよび他のホットコアと比較すること。
• これらの発見が、プリバイオティック分子の形成および分子雲からプロト惑星系円盤への化学的進化モデルに与える影響を評価すること。

提案手法

• ALMAの科学的検証（SV）データおよびIRAMプラトー・ドゥ・ブール干渉計の観測データを用い、オリオン-KLの高スペクトル分解能および高空間分解能のデータを取得した。
• 干渉計画像化を適用して、異なる分子の空間的に別個の発光領域を解像することで、ラインの混在を低減した。
• 連続スペクトルの差し引き技術を用いて分子ライン発光を分離し、残留連続スペクトルおよびビーム効果に注意を払って処理した。
• 回転ダイアグラム解析を用いて、aGg'形態の検出された遷移から回転温度および核密度を導出した。
• 期待される周波数に弱く重なったラインに基づき、gGg'形態の上界を制約した。
• 得られた核密度および連続スペクトルの放射度を用いて、H₂およびメタノールに対するエチレングリコールの含有量を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オリオン-KLのホットコアにおけるエチレングリコールの含有量は何か？また、コメット氷中の値と比較してどう異なるか？
• RQ2 オリオン-KLにおけるエチレングリコールおよびその他の複雑な酸素含有分子の空間的分布は、どのように異なるか？
• RQ3 オリオン-KLで検出可能なエチレングリコールの形態（aGg' または gGg'）はどれか？それらの相対含有量は？
• RQ4 オリオン-KLにおけるエチレングリコールの回転温度は何か？これはホットコア内の物理的状態に何を示唆するか？
• RQ5 オリオン-KLにおけるエタノールとエチレングリコールの含有量比は、コメットと比較してどう異なるか？これは化学的進化モデルに何を示唆するか？

主な発見

• エチレングリコールのaGg'形態がオリオン-KLで明確に検出され、ビーム平均核密度は4.6 ± 0.8 × 10¹⁵ cm⁻²であった。
• エチレングリコールの回転温度は145 ± 30 Kと決定され、ホットコア領域からの発光と整合的であった。
• H₂に対するエチレングリコールの含有量は約10⁻⁹であり、メタノールに対する含有量は約10⁻³であり、Sgr B2と同程度の値であった。
• gGg'形態は検出されず、その核密度はaGg'形態の0.2倍未満に制約された。
• エチレングリコールの発光はコンパクトで、主連続スペクトルピークから約2秒角南西にピークを示し、ホルム酸メチルやエタノールなどの他の酸素含有種とは明確に異なる空間的分布を示した。
• オリオン-KLにおけるエタノール/エチレングリコール含有量比は約5であり、コメットではエタノールが検出されずエチレングリコールが豊富であるのと対照的であり、化学的進化の根本的な乖離を示している。