[論文レビュー] Gas-phase Elemental abundances in Molecular cloudS (GEMS) III. Unlocking the CS chemistry: the CS+O reaction

Niyazi Bulut, Octavio Roncero+37 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2020

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 74被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、ab initio量子化学および動力学的手法を用いて、150 K未満の宇宙環境温度におけるCS+O反応速度定数を計算し、10 Kにおける反応速度定数が10⁻¹⁵ cm³ s⁻¹未満という無視できるほど小さい値であることを明らかにした。この結果は、冷たい分子雲におけるCSの主要な消失経路であることを裏付け、TMC-1の化学モデルにおいて更新された硫黄の脱結合および宇宙線イオン化率の取り扱いを組み合わせることで、モデルと観測の間の不一致を解消した。

ABSTRACT

CS is among the most abundant gas-phase S-bearing molecules in cold dark molecular clouds. It is easily observable with several transitions in the millimeter wavelength range, and has been widely used as a tracer of the gas density in the interstellar medium in our Galaxy and external galaxies. Chemical models fail to account for the observed CS abundances when assuming the cosmic value for the elemental abundance of sulfur. The CS+O -> CO + S reaction has been proposed as a relevant CS destruction mechanism at low temperatures, and could explain the discrepancy between models and observations. Its reaction rate has been experimentally measured at temperatures of 150-400 K, but the extrapolation to lower temperatures is doubtful. Here we calculate the CS+O reaction rate at temperatures <150 K which are prevailing in the interstellar medium. We performed ab initio calculations to obtain the three lowest PES of the CS+O system. These PESs are used to study the reaction dynamics, using several methods to eventually calculate the CS+O thermal reaction rates. We compare the results of our theoretical calculations for 150-400 K with those obtained in the laboratory. Our detailed theoretical study on the CS+O reaction, which is in agreement with the experimental data obtained at 150-400 K, demonstrates the reliability of our approach. After a careful analysis at lower temperatures, we find that the rate constant at 10 K is negligible, which is consistent with the extrapolation of experimental data using the Arrhenius expression. We use the updated chemical network to model the sulfur chemistry in TMC1 based on molecular abundances determined from GEMS project observations. In our model, we take into account the expected decrease of the cosmic ray ionization rate along the cloud. The abundance of CS is still overestimated when assuming the cosmic value for the sulfur abundance.

研究の動機と目的

• 冷たい暗黒分子雲におけるCSの濃度に関する長年のモデルと観測の不一致を解消すること。
• 宇宙硫黄濃度を仮定した場合に観測濃度を再現できないことから、CSの低温度消失機構としてのCS+O反応の可能性を調査すること。
• 実験的データが入手不可能な宇宙空間に相当する温度範囲（T < 150 K）における、CS+O反応の正確な温度依存速度定数を提供すること。
• 理論的に導出された速度定数を組み込んだことで、CS、HCS⁺、H₂Sなどの観測対象物質に与える影響を評価する、星間化学モデルにおける硫黄化学ネットワークの改善。
• 視覚的減光に応じて変化する宇宙線イオン化率（ζH₂）がTMC-1における硫黄を含む分子の濃度に与える影響を評価すること。

提案手法

• CS + O系の3つの最低エネルギーのポテンシャルエネルギー表面（PES）を、高水準のab initio計算により構築する。
• 古典的・量子的・半古典的動力学的手法を用いて、さまざまな温度におけるCS+O反応の熱的速度定数を計算する。
• 150–400 Kにおける既存の実験データと理論的結果を比較し、計算手法の正確性と信頼性を検証する。
• 導出された速度定数を時間に依存する化学ネットワークモデルに適用し、おおとり星雲1（TMC-1）における硫黄を含む分子の濃度をシミュレートする。
• GEMSプロジェクトの観測データを用いてモデルをテストし、硫黄の脱結合要因および空間的に変化する宇宙線イオン化率（ζH₂）を調整する。
• モデル予測値とCS、HCS⁺、SO、H₂Sの観測濃度を比較し、モデルの性能を評価するとともに、残存する不一致の原因を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 冷たい分子雲に相当する温度範囲（150 K未満、特に10 K）におけるCS+O反応の熱的速度定数はどの程度か。
• RQ2 150–400 Kにおける理論的速度定数は実験データと一致するか。また、これにより計算手法の信頼性が裏付けられるか。
• RQ3 宇宙硫黄濃度を仮定した場合に、CS濃度の過剰予測を解消するためにCS+O反応を化学モデルに組み込むことができるか。
• RQ4 視覚的減光に応じて変化する宇宙線イオン化率（ζH₂）の変動が、TMC-1における硫黄を含む分子の予測濃度に与える影響は何か。
• RQ5 硫黄の脱結合および変動するζH₂を考慮しても、H₂S濃度が依然として10倍以上低く予測されるのはなぜか。さらなる反応機構の欠落や不確実性が関係しているのだろうか。

主な発見

• 10 KにおけるCS+O反応の理論的速度定数は無視できるほど小さく、10⁻¹⁵ cm³ s⁻¹未満であり、実験データのアレニウス外挿法とも整合的である。
• 150–400 Kにおける理論的速度定数は実験測定値と良好に一致しており、計算手法の信頼性が確認された。
• 硫黄の脱結合要因を20に設定した場合、CSおよびHCS⁺の観測濃度への適合が、CS+O反応の化学モデルへの組み込みによって向上した。
• CSおよびHCS⁺の適合は改善されたが、硫黄の脱結合が無視できる（S/H = 1.5 × 10⁻⁵）と仮定しない限り、H₂S濃度は10倍以上低く予測された。
• 視覚的減光に応じてζH₂が空間的に減少することを考慮しても、H₂S濃度の再現に失敗していることから、硫黄化学における反応経路の欠落または不確実性が残っていることが示された。
• 中性原子状硫黄反応の速度定数、S⁺反応の分岐比、HCS⁺の解離的再結合速度定数に大きな不確実性が残っており、今後の理論的・実験的検討の必要性が浮き彫りになった。