観測、実験、シミュレーションを組み合わせた大質量星形成領域における化学反応の解明

• 研究課題/領域番号: 20K14523
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分16010:天文学関連
• 研究機関: 国立天文台 (2021-2023); 学習院大学 (2020)
• 研究代表者: 谷口 琴美 国立天文台, 科学研究部, 特任助教 (40865549)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2021年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2020年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: 星間化学 / 星形成 / 電波天文観測 / 天文学

研究開始時の研究の概要

大質量星は銀河の進化や太陽系の形成過程を理解する上で重要だが、その形成過程の研究は中小質量星に比べて遅れている。大質量星周辺のガスの化学組成には天体毎に異なる特徴があると発見され、それは大質量星の形成過程を解明する手がかりとなり得ることがわかってきた。本研究では、この大質量星形成領域における化学的多様性の起源及び大質量星形成過程について、電波天文学的観測手法、室内実験、化学反応ネットワークシミュレーションの3つを統合的に駆使して解明することを目的とする。

研究実績の概要

南米チリにあるAtacama Large Millimeter Submillimeter Array (ALMA)の5つの大質量原始星周囲の炭素鎖分子及び有機分子の高空間分解能データの解析を行った。その結果、炭素鎖分子の一種であるHC5Nを5天体中3天体から検出した。また、その分子の空間分布は、温度が100 K以上の領域をトレースする高励起輝線のメタノール（CH3OH）の空間分布と一致することを示した。CH3CNの輝線の解析から、HC5Nが検出された大質量星のコアの温度は100 K以上であることも確認した。さらに、化学反応ネットワークシミュレーションを用いて、大質量星周囲の炭素鎖分子の生成・破壊メカニズムについて詳細を調べた。25-90 K程度で気相中で生成したHC5Nがダスト表面の氷内部に保持され、温度が100 K以上に達した時に蒸発した時に、観測されたHC5Nの存在量を再現することがわかった。以上の結果より、大質量星周囲の炭素鎖分子の生成メカニズムは低質量星周囲で見つかっていた25-35 Kの領域で起こるWarm Carbon-Chain Chemistry (WCCC)ではなく、より高温での生成による寄与が大きいことを示し、Hot Carbon-Chain Chemistry (HCCC)を提案した。
本研究期間において、主にALMAのデータを用いて、大質量星周囲のコアスケールから円盤スケールにかけての炭素鎖分子の観測を行った。HC3Nの振動励起輝線が、比較的進化の進んだウルトラコンパクト電離水素領域を形成している大質量星周囲の円盤の高温領域をトレースすることを示し、大質量星と低質量・中間質量星周囲の円盤との化学組成の比較も世界で初めて行った。また、炭素鎖分子に関するレビュー論文も受理された。

研究成果

• [国際共同研究] Instituto Nacional de Astrofisica(メキシコ)
• [国際共同研究] University of Virginia/University of Massachusetts(米国)
• [国際共同研究] MPE(ドイツ)
• [国際共同研究] NISER(インド)
• [国際共同研究] Chalmers University of Technology(スウェーデン)
• [国際共同研究] University of Virginia(米国)
• [国際共同研究] MPE(ドイツ)
• [国際共同研究] NISER(インド)
• [国際共同研究] Chalmers University of Technology(スウェーデン)
• [国際共同研究] University of Virginia/NRAO/NASA/JPL(米国)
• [国際共同研究] NISER(インド)
• [国際共同研究] University of Virginia/NASA JPL(米国)
• [国際共同研究] Max-Planck-Institute(ドイツ)
• [国際共同研究] NISER(インド)
• [国際共同研究] Chalmers University of Technology(スウェーデン)
• [雑誌論文] Observations of high-order multiplicity in a high-mass stellar protocluster (2024)
  • 著者名/発表者名: Li Shanghuo、Sanhueza Patricio、Beuther Henrik、Chen Huei-Ru Vivien、Kuiper Rolf、Olguin Fernando A.、Pudritz Ralph E.、Stephens Ian W.、Zhang Qizhou、Nakamura Fumitaka、Lu Xing、Kuruwita Rajika L.、Sakai Takeshi、Henning Thomas、Taniguchi Kotomi、Li Fei
  • 雑誌名: Nature Astronomy 巻: 15 号: 4 ページ: 1-18
  • DOI: 10.1038/s41550-023-02181-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Large-scale Mapping Observations of DCN and DCO⁺ toward Orion KL (2024)
  • 著者名/発表者名: Kotomi Taniguchi, Prathap Rayalacheruvu, Teppei Yonetsu et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 963 号: 1 ページ: 12-12
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ad1e5a
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] An Extremely Young Protostellar Core, MMS 1/OMC-3: Episodic Mass Ejection History Traced by the Micro SiO Jet (2024)
  • 著者名/発表者名: Takahashi Satoko、Machida Masahiro N.、Omura Mitsuki、Johnstone Doug、Saigo Kazuya、Harada Naoto、Tomisaka Kohji、Ho Paul T. P.、Zapata Luis A.、Mairs Steve、Herczeg Gregory J.、Taniguchi Kotomi、Liu Yuhua、Sato Asako
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 964 号: 1 ページ: 48-48
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ad2268
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Digging into the Interior of Hot Cores with the ALMA (DIHCA). III. The Chemical Link between NH2CHO, HNCO, and H2CO (2023)
  • 著者名/発表者名: Taniguchi Kotomi、Sanhueza Patricio、Olguin Fernando A.、Gorai Prasanta、Das Ankan、Nakamura Fumitaka、Saito Masao、Zhang Qizhou、Lu Xing、Li Shanghuo、Chen Huei-Ru Vivien
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 950 号: 1 ページ: 57-57
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acca1d
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Chemical Differentiation around Five Massive Protostars Revealed by ALMA: Carbon-chain Species and Oxygen/Nitrogen-bearing Complex Organic Molecules (2023)
  • 著者名/発表者名: Taniguchi Kotomi、Majumdar Liton、Caselli Paola、Takakuwa Shigehisa、Hsieh Tien-Hao、Saito Masao、Li Zhi-Yun、Dobashi Kazuhito、Shimoikura Tomomi、Nakamura Fumitaka、Tan Jonathan C.、Herbst Eric
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Supplement Series 巻: 267 号: 1 ページ: 4-4
  • DOI: 10.3847/1538-4365/acd110
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Digging into the Interior of Hot Cores with ALMA: Spiral Accretion into the High-mass Protostellar Core G336.01?0.82 (2023)
  • 著者名/発表者名: Olguin Fernando A.、Sanhueza Patricio、Chen Huei-Ru Vivien、Lu Xing、Oya Yoko、Zhang Qizhou、Ginsburg Adam、Taniguchi Kotomi、Li Shanghuo、Morii Kaho、Sakai Takeshi、Nakamura Fumitaka
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Letters 巻: 959 号: 2 ページ: L31-L31
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ad1100
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Vibrationally Excited Lines of HC3N Associated with the Molecular Disk around the G24.78+0.08 A1 Hypercompact H ii Region (2022)
  • 著者名/発表者名: Taniguchi Kotomi、Tanaka Kei E. I.、Zhang Yichen、Fedriani Ruben、Tan Jonathan C.、Takakuwa Shigehisa、Nakamura Fumitaka、Saito Masao、Majumdar Liton、Herbst Eric
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 931 号: 2 ページ: 99-99
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac69d1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Carbon-chain Chemistry versus Complex-organic-molecule Chemistry in Envelopes around Three Low-mass Young Stellar Objects in the Perseus Region (2021)
  • 著者名/発表者名: Taniguchi Kotomi、Majumdar Liton、Takakuwa Shigehisa、Saito Masao、Lis Dariusz C.、Goldsmith Paul F.、Herbst Eric
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 910 号: 2 ページ: 141-141
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abe854
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Chemical Compositions in the Vicinity of Protostars in Ophiuchus (2021)
  • 著者名/発表者名: Taniguchi Kotomi、Majumdar Liton、Plunkett Adele、Takakuwa Shigehisa、Lis Dariusz C.、Goldsmith Paul F.、Nakamura Fumitaka、Saito Masao、Herbst Eric
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 922 号: 2 ページ: 152-152
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac214e
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Optical Properties of Interstellar Dust around the Orion A Molecular Cloud (2021)
  • 著者名/発表者名: Hayato Uehara, Kazuhito Dobashi, Shingo Nishiura, Tomomi Shimoikura, and Takahiro Naoi
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 915 号: 6 ページ: 1540-1555
  • DOI: 10.1093/pasj/psab092
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 13C Isotopic Ratios of HC3N on Titan Measured with ALMA (2021)
  • 著者名/発表者名: Iino Takahiro、Taniguchi Kotomi、Sagawa Hideo、Tsukagoshi Takashi
  • 雑誌名: The Planetary Science Journal 巻: 2 号: 4 ページ: 166-166
  • DOI: 10.3847/psj/ac134c
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Carbon Chain Chemistry in Hot-core Regions around Three Massive Young Stellar Objects Associated with 6.7 GHz Methanol Masers (2021)
  • 著者名/発表者名: Taniguchi Kotomi、Herbst Eric、Majumdar Liton、Caselli Paola、Tan Jonathan C.、Li Zhi-Yun、Shimoikura Tomomi、Dobashi Kazuhito、Nakamura Fumitaka、Saito Masao
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 908 号: 1 ページ: 100-100
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abd6c9
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Chemical Composition in the IRAS 16562-3959 High-mass Star-forming Region (2020)
  • 著者名/発表者名: Taniguchi Kotomi、Guzman Andres E.、Majumdar Liton、Saito Masao、Tokuda Kazuki
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 898 号: 1 ページ: 54-54
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab994d
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] LMT 2millimeter receiver system (B4R): Overview and results of demo-science (2023)
  • 著者名/発表者名: Kotomi Taniguchi, Ryohei Kawabe, Takeshi Sakai, Bunyo Hatsukade, Kunihiko Tanaka, Akio Taniguchi, Yuki Yoshimura, Tatsuya Takekoshi, Teppei Yonetsu, Masato Hagimoto, Hiroyuki Maezawa, Yoichi Tamura, Kotaro Kohno, David H. Hughes, F. Peter Schloerb, and B4R/LMT Collaboration
  • 学会等名: URSI GASS 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Chemical Link among NH2CHO, HNCO, H2CO in High-Mass Protostellar Cores (2023)
  • 著者名/発表者名: Kotomi Taniguchi, Patricio Sanhueza, Fernando A. Olguin, Prasanta Gorai, Ankan Das, Fumitaka Nakamura, Masao Saito, Qizhou Zhang, Xing Lu, Shanghuo Li, Huei-Ru Vivien Chen
  • 学会等名: Astrochemistry Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] Understanding Chemical Differentiation around Five Massive Protostars Revealed by ALMA (2023)
  • 著者名/発表者名: Kotomi Taniguchi, Liton Majumdar, Paola Caselli, Shigehisa Takakuwa, Masao Saito, Kazuhito Dobashi, Fumitaka Nakamura, Tomomi Shimoikura, Tien-Hao Hsieh, Jonathan C. Tan, Zhi-Yun Li, Eric Herbst
  • 学会等名: Planets VII
  • 国際学会
• [学会発表] Q-band line survey observations toward 12 intermediate-mass protostars with the Yebes 40m telescope (2023)
  • 著者名/発表者名: Kotomi Taniguchi, Prasanta Gorai, Jonathan C. Tan, Miguel Gomez Garrido, Masao Saito, Fumitaka Nakamura, T. K. Sridharan, & SOFIA Massive Star Formation group
  • 学会等名: 日本天文学会秋季大会
• [学会発表] Revealing the Chemical Link among NH2CHO, HNCO, and H2CO using ALMA Observations toward High-Mass Protostellar Cores (2023)
  • 著者名/発表者名: Kotomi Taniguchi, Patricio Sanhueza, Fernando A. Olguin, Prasanta Gorai, Ankan Das, Fumitaka Nakamura, Masao Saito
  • 学会等名: East-Asia ALMA Science Workshop 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 30-34 GHz Line Survey Observations toward the Serpens South with the eQ Receiver (2023)
  • 著者名/発表者名: Kotomi Taniguchi, Fumitaka Nakamura, Ryohei Kawabe, Ross Burns, Atsushi Nishimura, Chau-Ching Chiong, Sheng-Yuan Liu, You-Ting Yeh, Shih-Ping Lai, Tomomi Shimoikura, Kazuhito Dobashi, Yoshinori Yonekura, Yasumasa Yamasaki, & eQ-receiver team
  • 学会等名: 宇宙電波懇談会シンポジウム2022
• [学会発表] Survey of NH2CHO, HNCO, H2CO, and CH3CN toward high-mass protostars by the DIHCA Project (2023)
  • 著者名/発表者名: Kotomi Taniguchi, Patricio Sanhueza, Fernando A. Olguin, Prasanta Gorai, Ankan Das, Fumitaka Nakamura, Masao Saito
  • 学会等名: 日本天文学会 春季大会
• [学会発表] Carbon-Chain Chemistry around Massive Young Stellar Objects (2022)
  • 著者名/発表者名: Kotomi Taniguchi
  • 学会等名: Dust-Ice-Gas (DIG) Astrochemistry
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Understanding Chemical Diversity around Massive Young Stellar Objects (2022)
  • 著者名/発表者名: Kotomi Taniguchi, Liton Majumdar, Paola Caselli, Shigehisa Takakuwa, Masao Saito, Kazuhito Dobashi, Fumitaka Nakamura, Tomomi Shimoikura, Tien-Hao Hsieh, Jonathan C. Tan, Zhi-Yun Li, & Eric Herbst
  • 学会等名: From Clouds to Planets II: The Astrochemical Link
  • 国際学会
• [学会発表] Observational Evidence for Cyanopolyyne Chemistry and Chemical Diversity around Massive Young Stellar Objects (2022)
  • 著者名/発表者名: Kotomi Taniguchi
  • 学会等名: VICO-CICO Workshop 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Observational Evidence for Cyanopolyyne Chemistry around High-Mass Stars (2022)
  • 著者名/発表者名: Kotomi Taniguchi, Liton Majumdar, Paola Caselli, Tien-Hao Hsieh, Shigehisa Takakuwa, Masao Saito, Fumitaka Nakamura, Kazuhito Dobashi, Tomomi Shimoikura, Jonathan C. Tan, Zhi-Yun Li, Eric Herbst
  • 学会等名: 日本天文学会 秋季大会
• [学会発表] Chemical Survey Observations toward Intermediate-Mass Protostars (2022)
  • 著者名/発表者名: Kotomi Taniguchi, Miguel Gomez Garrido, Prasanta Gorai, Jonathan C. Tan, Masao Saito, Fumitaka Nakamura, T. K. Sridharan, Liton Majumdar, & SOFIA Massive Star Formation group
  • 学会等名: 日本天文学会 秋季大会
• [学会発表] Vibrationally-excited Lines of HC3N Tracing the Disk Structure around the G24.78+0.08 A1 Hyper-compact HII Region (2022)
  • 著者名/発表者名: 谷口琴美、田中圭、Yichen Zhang、Ruben Fedriani、 Jonathan C. Tan、高桑繁久、中村文隆、齋藤正雄、Liton Majumdar、Eric Herbst
  • 学会等名: 日本天文学会2022年春季大会
• [学会発表] 星形成領域における化学プロセスの多様性 -星質量・物理環境との関係- (2022)
  • 著者名/発表者名: 谷口琴美
  • 学会等名: 宇宙電波懇談会シンポジウム2021
  • 招待講演
• [学会発表] Roles of UV radiation on the chemistry of protostars in the Ophiuchus region (2021)
  • 著者名/発表者名: Kotomi Taniguchi, Liton Majumdar, Adele Plunkett, Shigehisa Takakuwa, Dariusz C. Liz, Paul F. Goldsmith, Fumitaka Nakamura, Masao Saito, Eric Herbst
  • 学会等名: Astrochemical Frontiers 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Nitrile chemistry in a disk structure around the G24.78+0.08 hyper-compact HII region (2021)
  • 著者名/発表者名: Kotomi Taniguchi, Kei Tanaka, Y. Zhang, R. Fedriani, J. C. Tan, S. Takakuwa, F. Nakamura, M. Saito, L. Majumdar, E. Herbst
  • 学会等名: Workshop on Interstellar Matter 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Investigation of roles of the UV radiation on the chemistry around protostars in the Ophiuchus region (2021)
  • 著者名/発表者名: 谷口琴美、中村文隆、齋藤正雄、Liton Majumdar, Adele Plunkett, 高桑繁久、Dariusz C. Liz, Paul F. Goldsmith, Eric Herbst
  • 学会等名: 日本天文学会2021年秋季大会
• [学会発表] A New Type of Carbon Chain Chemistry around Massive Young Stellar Objects (2021)
  • 著者名/発表者名: Kotomi Taniguchi
  • 学会等名: Nobeyama Science Workshop 2020
  • 招待講演
• [学会発表] ALMA observations of CH3OH and HC3N toward three low-mass young stellar objects in the Perseus region (2021)
  • 著者名/発表者名: Kotomi Taniguchi, Liton Majumdar, Shigehisa Takakuwa, Masao Saito, Dariusz C. Liz, Paul F. Goldsmith, Eric Herbst
  • 学会等名: 日本天文学会 春季大会
• [学会発表] Carbon Chain Chemistry in Hot-Core Regions around Massive Young Stellar Objects (2020)
  • 著者名/発表者名: Kotomi Taniguchi
  • 学会等名: VICO-CICO Workshop 2020
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Chemical composition in the IRAS 16562-3959 high-mass star-forming region (2020)
  • 著者名/発表者名: Kotomi Taniguchi, Andres Guzman, Liton Majumdar, Masao Saito, Tokuda Kazuki
  • 学会等名: 43rd COSPAR Scientific Assembly 2020
  • 国際学会
• [学会発表] 星間ダスト表面における光化学反応実験のための装置の立ち上げと初期成果 (2020)
  • 著者名/発表者名: 谷口琴美、平山朱実、久保崇紀、荒川一郎、山川紘一郎
  • 学会等名: 日本天文学会 秋季大会
• [学会発表] 紫外線照射下における一酸化炭素の水素付加反応に関する室内実験 (2020)
  • 著者名/発表者名: 平山朱実、久保崇紀、永井颯真、谷口琴美、山川紘一郎
  • 学会等名: Nobeyama Science Workshop 2020
• [備考] Reveal chemical links involving NH2CHO
  • URL: https://sci.nao.ac.jp/main/highlights/20230414
• [備考] Discovery of a new type of carbon-chain chemistry
  • URL: https://sci.nao.ac.jp/main/highlights/20230515
• [備考] 大質量星が誕生している領域の化学組成と星の進化の過程 －分子で探る重い星が生まれる環境－
  • URL: https://www.univ.gakushuin.ac.jp/about/pr/press/20200723release.html
• [備考] 大質量星に照らされた天空のカーボン・チェーン工場；高温領域で形成される「炭素鎖分子」の発見
  • URL: https://www.nro.nao.ac.jp/news/2021/0224-taniguchi.html#nmnews