[論文レビュー] Upper limits to interstellar NH+ and para-NH2- abundances. Herschel-HIFI observations towards Sgr B2 (M) and G10.6-0.4 (W31C)

C. M. Persson, M. Hajigholi+13 more|Kölner Universitäts PublikationsServer (Universität zu Köln)|Jul 7, 2014

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 49被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、Sgr B2 (M) および G10.6−0.4 における恒星間 NH⁺ およびパラ-NH₂⁻ の検出を目的とした深紫外・ミリ波分光観測を実施し、それぞれの NH⁺ の全量に上限値 ≤2×10⁻¹² および ≤7×10⁻¹³ を得た。また、Sgr B2 (M) におけるパラ-NH₂⁻ の上限値は ≤8×10⁻¹³ であった。結果から、NH⁺ はイオン化率が上昇した領域でのみ検出可能である可能性が示唆され、一方でパラ-NH₂⁻ は予測される低全量のため極めて検出が困難であることが示された。

ABSTRACT

The understanding of interstellar nitrogen chemistry has improved significantly with recent results from the Herschel Space Observatory. To set even better constraints, we report here on deep searches for the NH+ ground state rotational transition J=1.5-0.5 of the ^2Pi_1/2 lower spin ladder, with fine-structure transitions at 1013 and 1019 GHz, and the para-NH2- 1_1,1-0_0,0 rotational transition at 934 GHz towards Sgr B2(M) and G10.6-0.4 using Herschel-HIFI. No clear detections of NH+ are made and the derived upper limits are <2*10^-12 and <7*10^-13 in Sgr B2(M) and G10.6-0.4, respectively. The searches are complicated by the fact that the 1013 GHz transition lies only -2.5 km/s from a CH2NH line, seen in absorption in Sgr B2(M), and that the hyperfine structure components in the 1019 GHz transition are spread over 134 km/s. Searches for the so far undetected NH2- anion turned out to be unfruitful towards G10.6-0.4, while the para-NH2- 1_1,1-0_0,0 transition was tentatively detected towards Sgr B2(M) at a velocity of 19 km/s. Assuming that the absorption occurs at the nominal source velocity of +64 km/s, the rest frequency would be 933.996 GHz, offset by 141 MHz from our estimated value. Using this feature as an upper limit, we found N(p-NH2-)<4*10^11 cm^-2. The upper limits for both species in the diffuse line-of-sight gas are less than 0.1 to 2 % of the values found for NH, NH2, and NH3 towards both sources. Chemical modelling predicts an NH+ abundance a few times lower than our present upper limits in diffuse gas and under typical Sgr B2(M) envelope conditions. The NH2- abundance is predicted to be several orders of magnitudes lower than our observed limits, hence not supporting our tentative detection. Thus, while NH2- may be very difficult to detect in interstellar space, it could, be possible to detect NH+ in regions where the ionisation rates of H2 and N are greatly enhanced.

研究の動機と目的

• 高分解能ミリ波分光法を用いて、恒星間 NH⁺ およびパラ-NH₂⁻ の基底状態回転遷移を探索すること。
• 特に Sgr B2 (M) および G10.6−0.4 における、高密度および低密度恒星間環境における NH⁺ およびパラ-NH₂⁻ 全量を制限すること。
• スペクトルの混在およびハイパーファイン構造の複雑さが、1013 GHz および 1019 GHz における NH⁺ の検出可能性に与える影響を評価すること。
• 観測による上限値と照らし合わせて、化学モデルの NH⁺ およびパラ-NH₂⁻ の生成経路の妥当性を検証すること。
• NH⁺ の検出可能性を高めるために、イオン化率が上昇した環境を今後の探索対象とする可能性を検討すること。

提案手法

• 1013 GHz（NH⁺ J=1.5⁻-0.5⁺）、1019 GHz（NH⁺ J=1.5⁺-0.5⁻）、および 934 GHz（パラ-NH₂⁻ 1₁,₁–0₀,₀）における、高分解能・高感度の Herschel Heterodyne Instrument for the Far-Infrared（HIFI）観測を実施した。
• Sgr B2 (M) および G10.6−0.4 に向けてスペクトルを解析し、1013 GHz の NH⁺ 線に注目した。この線は、CH₂NH 吸収線から −2.5 km s⁻¹ 離れている。
• 1019 GHz の NH⁺ 遷移にはハイパーファイン構造が存在し、134 km s⁻¹ の幅を示しており、検出を複雑にしている。
• 観測されたノイズレベル（1σ/T_C）を用いて、ライン強度の 3σ 上限値を導出し、それを柱密度に変換した。
• 柱密度を H 核に対する相対全量に変換するために、H₂ 柱密度の推定値を用いた。
• 観測上限値と、ガス相反応および表面反応を含む疑似時間依存的化学モデルの予測値を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Sgr B2 (M) の分子エンvelope および G10.6−0.4 の分子雲における恒星間 NH⁺ 全量の上限値は何か？
• RQ2 パラ-NH₂⁻ は恒星間物質で検出可能か？ また、Sgr B2 (M) および G10.6−0.4 におけるその全量にどのような制限があるか？
• RQ3 スペクトルの混在およびハイパーファイン構造は、1013 GHz および 1019 GHz における NH⁺ の検出可能性にどのように影響するか？
• RQ4 現在の化学モデルは、観測された上限値と整合する NH⁺ およびパラ-NH₂⁻ 全量を予測しているか？
• RQ5 イオン化率に依存する NH⁺ の検出可能性を踏まえ、どの天体的環境で NH⁺ が検出可能となると考えられるか？

主な発見

• Sgr B2 (M) の分子エンvelope における NH⁺ 全量の上限値は H 核に対して ≤2×10⁻¹²、G10.6−0.4 では ≤7×10⁻¹³ であった。
• Sgr B2 (M) における 933.996 GHz（予想周波数から 141 MHz のオフセット）のあいまいな吸収ラインから、N(p-NH₂⁻) ≤4×10¹¹ cm⁻² の上限値が得られ、これは全量 ≤8×10⁻¹³ に相当する。
• Sgr B2 (M) および G10.6−0.4 の散乱線路上のガスにおける NH⁺ およびパラ-NH₂⁻ の上限値は、同じ源における NH、NH₂、NH₃ 全量の 0.1–2% 未満であった。
• 化学モデルでは、散乱ガスおよび典型的な Sgr B2 (M) エンvelope 条件下で、NH⁺ 全量が観測上限値よりも数倍低いことが予測された。
• モデルでは、パラ-NH₂⁻ 全量が観測上限値よりも数個のオーダーも低く予測されており、Sgr B2 (M) におけるあいまいな検出の妥当性に疑問が呈された。
• NH⁺ の検出は、H₂ のイオン化率が ζ(H₂) ≥ 10⁻¹⁴ s⁻¹ に上昇した領域でのみ実現可能であり、今後の探索はこのような環境を対象とすべきであると示唆された。