アルマ広周波数域分子輝線サーベイによるスターバースト現象の解明

2022 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 21K03634
• 研究機関: 国立天文台
• 研究代表者: 原田 ななせ 国立天文台, 科学研究部, 助教 (10785421)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: スターバースト銀河 / 電波天文学 / ALMA / 星間化学 / 近傍銀河 / 星形成

研究実績の概要

本研究は近傍の星形成が活発な銀河の分子組成を調べ、そこから星の材料である分子ガスの物理条件を明らかにすることを目的としている。アルマ大型プログラムの一つALCHEMIというプログラムのデータを用い、多数の分子輝線の統計的研究を主成分分析(PCA)を用い行う計画である。そこからどの分子輝線でどういった物理条件をトレースすることができるのかを調べることにより、良い分子輝線のトレーサーを探し出し、それを他の銀河の観測などに応用することが期待できる。この統計的研究を進める中で衝撃波が予測される領域でHOCO+(プロトン化された二酸化炭素)という分子の量が予期せず増えていることを発見した。研究計画のうちの２年目にあたる2022年度はこの分子について主著論文を発表した。この分子が衝撃波の起こるところで増えることは今まで知られていなかったが、他の衝撃波トレーサーと非常に良い空間的分布の相関があることがわかった。また、こうしたプロトン化された二酸化炭素が増えることは衝撃波によって二酸化酸素の氷が昇華し、さらにそれにプロトンがついたことで説明ができる。文献から二酸化炭素の氷の量も調べることができるため、かなりの量の氷が衝撃波によって昇華されていることがわかった。

また、本来の目的であった、多数の輝線強度図から主成分分析という統計的研究をする計画では多数の分子の分布の中にどういった物理的条件を持つ領域（成分）がどれだけあるかを調べることができ、衝撃波の由来や星形成の年齢に関連する興味深い結果が得られてきている。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

アルマ大型プログラムALCHEMIの積分強度図を用い主成分分析を行う中でHOCO+という分子が予期せずに衝撃波トレーサーと非常によく似た分布をすることがわかった。この分子は二酸化炭素がプロトン化されたもので、二酸化炭素氷が衝撃波によって昇華されたものがプロトン化された可能性が高いという結果を得ることができた。そしてこの結果を Harada et al. (2022) The Astrophysical Journal 983, 80として発表することができた。また、当初の計画である主成分分析に関しても論文を順調に準備中である。

今後の研究の推進方策

今年度は今行っている統計的研究の論文を早急に出版する。また、それらで得られてきた紫外線の影響や宇宙線の影響などによると考えられる輝線強度の変化について化学モデルと放射輸送計算を合わせたモデルにより解釈する研究に着手する。

次年度使用額が生じた理由

令和５年5月に開催される研究会（New Eyes on the Universe: ngVLA and SKA; カナダ）に招待講演者として参加するための出張経費に利用する。

研究成果

• [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
• [国際共同研究] National Radio Astronomy Observatory/University of Virginia/New Mexico Inst. of Tech. and Mining(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: National Radio Astronomy Observatory/University of Virginia/New Mexico Inst. of Tech. and Mining
• [国際共同研究] Max Planck Institute for Radio Astronomy(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Max Planck Institute for Radio Astronomy
• [国際共同研究] Leiden University(オランダ)
  • 国名: オランダ
  • 外国機関名: Leiden University
• [国際共同研究] Joint ALMA Observatory(チリ)
  • 国名: チリ
  • 外国機関名: Joint ALMA Observatory
• [国際共同研究]
  • 他の国数: 2
• [雑誌論文] Diverse Molecular Structures Across The Whole Star-Forming Disk of M83: High fidelity Imaging at 40pc Resolution (2023)
  • 著者名/発表者名: Koda, Jin ; Hirota, Akihiko ; Egusa, Fumi ; Sakamoto, Kazushi ; Sawada, Tsuyoshi ; Heyer, Mark ; Baba, Junichi ; Boissier, Samuel ; Calzetti, Daniela ; Donovan Meyer, Jennifer ; Elmegreen, Bruce G. ; Gil de Paz, Armando ; Harada, Nanase et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: - ページ: -
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Reconstructing the shock history in the CMZ of NGC 253 with ALCHEMI (2023)
  • 著者名/発表者名: Huang, K. -Y. ; Viti, S. ; Holdship, J. ; Mangum, J. G. ; Marti;n, S. ; Harada, N. et al.
  • 雑誌名: Astronomy and Astrophysics 巻: - ページ: -
  • 査読あり
• [雑誌論文] Energizing Star Formation: The Cosmic-Ray Ionization Rate in NGC 253 Derived from ALCHEMI Measurements of H3O+ and SO (2022)
  • 著者名/発表者名: Holdship Jonathan、Mangum Jeffrey G.、Viti Serena、Behrens Erica、Harada Nanase、 et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 931 ページ: 89～89
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac6753
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Methanol masers in NGC 253 with ALCHEMI (2022)
  • 著者名/発表者名: Humire P. K.、Henkel C.、Hernandez-Gomez A.、Martin S.、Mangum J.、Harada N.、et al.
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 663 ページ: A33～A33
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202243384
  • 査読あり
• [雑誌論文] AGN-driven Cold Gas Outflow of NGC 1068 Characterized by Dissociation-sensitive Molecules (2022)
  • 著者名/発表者名: Saito Toshiki、Takano Shuro、Harada Nanase、Nakajima Taku、Schinnerer Eva、Liu Daizhong、Taniguchi Akio、Izumi Takuma、Watanabe Yumi、Bamba Kazuharu、Kohno Kotaro、Nishimura Yuri、Stuber Sophia、Tosaki Tomoka
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 935 ページ: 155～155
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac80ff
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] ALCHEMI Finds a “Shocking” Carbon Footprint in the Starburst Galaxy NGC 253 (2022)
  • 著者名/発表者名: Harada Nanase、Martin Sergio、Mangum Jeffrey G.、Sakamoto Kazushi、Muller Sebastien、Rivilla Victor M.、Henkel Christian、Meier David S.、Colzi Laura、Yamagishi Mitsuyoshi、Tanaka Kunihiko、Nakanishi Kouichiro、Herrero-Illana Ruben、Yoshimura Yuki、Humire P. K.、Aladro Rebeca、van der Werf Paul P.、Emig Kimberly L.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 938 ページ: 80～80
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac8dfc
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Tracing Interstellar Heating: An ALCHEMI Measurement of the HCN Isomers in NGC 253 (2022)
  • 著者名/発表者名: Behrens Erica、Mangum Jeffrey G.、Holdship Jonathan、Viti Serena、Harada Nanase、et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 939 ページ: 119～119
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac91ce
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] A statistical study of molecular emission in the starburst galaxy NGC 253 using PCA (2023)
  • 著者名/発表者名: 原田ななせ, David Meier, Sergio Martin, Sebastian Muller, Toshiki Saito, ALCHEMI collaboration
  • 学会等名: 日本天文学会春季年会
• [学会発表] Chemistry and molecular cloud properties in nearby galaxies (2022)
  • 著者名/発表者名: 原田ななせ
  • 学会等名: Physics and Chemistry of Star Formation The Dynamical ISM Across Time and Spatial Scales
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Chemical models for external galaxies (2022)
  • 著者名/発表者名: 原田ななせ
  • 学会等名: Molecules in Extreme Environments: Near and Far
  • 国際学会 / 招待講演