[論文レビュー] Gas phase Elemental abundances in Molecular cloudS (GEMS). II. On the quest for the sulphur reservoir in molecular clouds: the $H_{2}S$ case

D. Navarro-Almaida, Romane Le Gal+31 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2020

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 83被引用数 24

ひとこと要約

本研究では、ミリメートル波長帯の観測とガス-粒子化学モデル Nautilus を用いて、暗黒分子雲 TMC 1-C、TMC 1-CP、Barnard 1b in における硫黄化学を調査した。化学的脱着がガス相 H2S の主な供給源であることが判明し、高密度領域（n_H > 2×10⁴ cm⁻³）では脱着効率が低下している。これは、厚い H2O および CO氷被膜の形成によるものと推定される。H2S および SO の生成量は、宇宙的硫黄含有量と整合的であるが、CS は予測値の 5–10 倍に達する。

ABSTRACT

Sulphur is one of the most abundant elements in the Universe. Surprisingly, sulphuretted molecules are not as abundant as expected in the interstellar medium, and the identity of the main sulphur reservoir is still an open question. Our goal is to investigate the H$_{2}$S chemistry in dark clouds, as this stable molecule is a potential sulphur reservoir. Using millimeter observations of CS, SO, H$_{2}$S, and their isotopologues, we determine the physical conditions and H$_{2}$S abundances along the cores TMC 1-C, TMC 1-CP, and Barnard 1b. The gas-grain model Nautilus is then used to model the sulphur chemistry and explore the impact of photo-desorption and chemical desorption on the H$_2$S abundance. Our model shows that chemical desorption is the main source of gas-phase H$_2$S in dark cores. The measured H$_{2}$S abundance can only be fitted if we assume that the chemical desorption rate decreases by more than a factor of 10 when $n_{ m H}>2 imes10^{4}$. This change in the desorption rate is consistent with the formation of thick H$_2$O and CO ice mantles on grain surfaces. The observed SO and H$_2$S abundances are in good agreement with our predictions adopting an undepleted value of the sulphur abundance. However, the CS abundance is overestimated by a factor of $5-10$. Along the three cores, atomic S is predicted to be the main sulphur reservoir. We conclude that the gaseous H$_2$S abundance is well reproduced, assuming undepleted sulphur abundance and chemical desorption as the main source of H$_2$S. The behavior of the observed H$_{2}$S abundance suggests a changing desorption efficiency, which would probe the snowline in these cores. Our model, however, overestimates the observed gas-phase CS abundance. Given the uncertainty in the sulphur chemistry, our data are consistent with a cosmic elemental S abundance with an uncertainty of a factor of 10.

研究の動機と目的

• TMC 1-C、TMC 1-CP、Barnard 1b の3つの暗黒分子核における物理的条件および H2S の含有量を特定すること。
• 化学的脱着および光脱着が、粒子表面から H2S をガス相に放出する役割を調査すること。
• 観測された H2S、SO、CS の含有量とモデル予測を比較することで、これらの核における硫黄の元素含有量を評価すること。
• H2S 含有量の変動と、特に H2O および CO に由来する氷被膜の化学組成との関連を調査すること。
• 観測された H2S 含有量が、冷たい核における雪線の位置を制約できるかを評価すること。

提案手法

• Dust 細胞の放射線輸送モデルと組み合わせた、H2S、SO、CS およびその同素体のミリメートル波長帯観測を用いて、密度、温度、UV 環境などの物理的条件を推定した。
• TMC 1-C、TMC 1-CP、Barnard 1b の物理的構造を推定するために、1次元球対称 BE（Bonnor-Ebert）モデルを適用した。
• ガス-粒子化学モデル Nautilus を用いて、粒子表面での生成および脱着反応を含む硫黄化学をシミュレーションした。
• 化学的脱着および光脱着の効率を変化させ、特に高密度領域における H2S 含有量に与える影響を検証した。
• 雲核に沿った氷被膜の組成（H2O、CO、H2S）を追跡し、H2S 脱着効率の変化と相関をとった。
• H2S、SO、CS のモデル予測値を観測値と比較することで、硫黄の元素含有量を制約した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 暗黒分子雲における H2S のガス相への放出を支配する主要なメカニズムは何か？
• RQ2 ガス密度が上昇するに従い、H2S の化学的脱着効率はどのように変化するのか？その背後にある物理的プロセスは何か？
• RQ3 観測された H2S、SO、CS の含有量に基づいて、TMC 1-C、TMC 1-CP、Barnard 1b における元素的硫黄含有量は何か？
• RQ4 雲核に沿った氷被膜の組成（H2O、CO、H2S）はどのように変化するのか？また、それらは H2S 脱着効率とどのように相関するか？
• RQ5 観測された CS 含有量がモデル予測値よりも顕著に高いのはなぜか？これは硫黄化学にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 化学的脱着が、特に低密度領域（n_H < 2×10⁴ cm⁻³）において、暗黒核内での H2S ガス相への放出を支配する主要なメカニズムである。
• H2S 含有量がモデルでよく再現されるのは、n_H > 2×10⁴ cm⁻³ の領域で脱着効率が 10 倍以上低下する場合に限る。
• この低効率化は、粒子表面に厚い H2O および CO 氷被膜が形成されることと相関しており、表面化学の転換を示唆している。
• 観測された H2S および SO 含有量は、宇宙的硫黄含有量（S/H ~ 1.35×10⁻⁵）が不変であると仮定した場合と整合的であり、10 倍以内の誤差で一致する。
• モデルはガス相 CS 含有量を 5–10 倍過剰に予測しており、CS の生成または消失経路に大きな不確実性があることを示唆している。
• すべての3つの核において、原子状硫黄が主要な硫黄貯留源であると予測されており、密な環境下での硫黄化学の理解が不完全であることを強調している。