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

2022 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 20K14523
• 研究機関: 国立天文台
• 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
• キーワード: 星間化学 / 星形成 / 電波天文観測

研究実績の概要

低質量原始星周囲では温度が25-35K程度の領域で炭素鎖分子が生成していることが知られており、温かい炭素鎖分子の化学（Warm Carbon-Chain Chemistry; WCCC)として知られている。一方で、大質量原始星周囲の炭素鎖分子の生成メカニズムおよび有機分子との関係は明らかになっていない。そこで、南米チリにあるALMA干渉計のBand 3のデータを用いて、5つの大質量原始星周囲における、炭素鎖分子の一種であるHC5Nおよび酸素を含んだ有機分子 (CH3OH, CH3OCH3)、窒素を含んだ有機分子(CH3CN, CH2CHCN, CH3CH2CN)の空間分布や化学組成について調べた。空間分布の比較から、大質量原始星周囲ではHC5Nは温度が100K以上のホットコアと呼ばれる有機分子が気相中に豊富に存在する領域に共存する形でいることがわかった。観測された化学組成を化学反応シミュレーションの結果と比較したところ、観測された全分子の存在量は、温度が160-200K程度の段階のシミュレーションの結果と一致した。これらの結果は、大質量原始星周囲の炭素鎖分子は、低質量原始星周囲のWCCCよりも高温領域に存在し、新しい炭素鎖分子の科学メカニズムでないと説明できないことを示す。
本研究で、Hot Carbon-Chain Chemistry (HCCC)を提案した。炭素鎖分子のうちシアノポリイン(HC2n+1N)などの比較的安定な分子種は、温度が25-100Kの領域で気相で生成し、固体ダストに吸着され、固体ダスト表面の氷マントルに蓄積していき、温度が100Kを超えた領域で氷マントルの蒸発と共に炭素鎖分子も蒸発するというメカニズムである。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

上記の研究内容については論文としてまとめ、投稿した段階である。また、別の大質量星形成領域の化学に関する研究については論文が受理された段階である。こちらの論文では、有機分子の相関関係を調べる上で新しい手法を提案したものであり、今後の研究で活かしていく。さらに、星間空間における炭素鎖分子の化学について、観測、化学反応シミュレーション、量子化学計算、室内実験に関して、海外の共同研究者と共にレビュー論文を執筆し、投稿した。

今後の研究の推進方策

ALMAのデータを用いた統計的手法により、大質量星周囲の化学的多様性についてより詳細に調べる。また、低質量星形成領域とは物理環境が大きく異なるため、直接的な比較が難しいこともわかってきた。そこで、中間の質量を持つ原始星周囲の炭素鎖分子の化学についても調査を進める必要があると考える。

次年度使用額が生じた理由

新型コロナウィルスの影響で、国際学会がオンライン開催となり、当初の予定より海外出張の回数が少なかったため、旅費の支出が減少した。
来年度は、国際学会が対面となるため、旅費の支出が増える予定。また、解析データを保存するための外部ストレージの購入等に配分する予定。

研究成果

• [国際共同研究] University of Virginia(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: University of Virginia
• [国際共同研究] MPE(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: MPE
• [国際共同研究] NISER(インド)
  • 国名: インド
  • 外国機関名: NISER
• [国際共同研究] Chalmers University of Technology(スウェーデン)
  • 国名: スウェーデン
  • 外国機関名: Chalmers University of Technology
• [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 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
• [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