[논문 리뷰] A line confusion limited millimeter survey of Orion KL. II: Silicon-bearing species

B. Tercero, L. Vincent외 3명|UCL Discovery (University College London)|2010. 12. 09.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 93인용 수 50

한 줄 요약

이 연구는 IRAM 30m 망원경을 사용하여 오리온 KL에서 실리콘 함유 분자를 고해상도 밀리미터파로 조사한 결과로, SiO와 SiS가 여러 이소토폴로이드 및 진동 상태에서 검출되었다. SiO(J=2-1 및 J=4-3)에서 강한 마이저 방출이 관측되었고, SiS는 유동-구름 상호작용과 관련된 명백한 15.5 km/s 방출 피크를 보였으며, 화학적 모델링 결과 SiS는 실리콘과 황이 표면에서 반응하여 형성될 가능성이 높고, SiO는 기체상 또는 입자 표면에서 생성될 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We present a study of the Silicon-bearing species detected in a line confusion limited survey towards Orion KL performed with the IRAM 30-m telescope, which ranges from 80 to 280 GHz. Our aim is to derive physical and chemical conditions for each family taking into account all observed lines from all isotopologues of each species. We have modeled the lines of the detected molecules using a radiative transfer code, which permit us to choose between LVG and LTE approximations depending on the physical conditions of the gas. We have used appropriate collisional rates for the LVG calculations. For the v=1 state of SiO we have detected the J=2-1 line and, for the first time in this source, emission in the J=4-3 transition, both of them showing strong masering effect. For SiO v=0, we have detected 28SiO, 29SiO, and 30SiO; in addition, we have mapped the J = 5-4 SiO line. For SiS, we have detected the main species, 29SiS, and SiS v=1. Unlikely other species detected in Orion KL (IRc2), the emission peak of SiS appears at a velocity of ~15.5 km s-1; a study of the 5-4 SiO line around IRc2 shows this feature as an extended component that probably arises from the interaction of the outflow with the ambient cloud. We derive a SiO/SiS column density ratio of ~13 in the plateau component. Besides, we provide upper limits to the column density of several non-detected Silicon-bearing species. The results of our chemical models show that while it is possible to reproduce SiO in the gas phase (as well as on the grains), SiS is a product of surface reactions, most likely involving direct reactions of S with Si.

연구 동기 및 목표

• 선 혼선 제한 밀리미터 조사를 통해 오리온 KL 내 실리콘 함유 종의 물리적 및 화학적 조건을 유도하기 위해 분석한다.
• 다양한 전이 및 이소토폴로이드에 대해 SiO와 SiS의 총량 밀도, 이소토프 비율, 진동 온도를 결정한다.
• 특히 확장된 15.5 km/s 피크의 기원을 방사선 전달 및 화학적 모델링을 통해 조사한다.
• 입자 표면 반응이 SiS 형성에 기여하는지, SiO는 기체상 반응으로 형성되는지 평가한다.
• SiC, SiC₂, SiCN과 같은 검출되지 않은 실리콘 함유 종의 상한선을 제공한다.

제안 방법

• 선 혼선에 의해 제한되는 감도가 아닌, IRAM 30m 망원경을 사용해 오리온 KL에서 80–280 GHz 범위의 선 조사를 실시하였다.
• 가스 조건에 따라 대규모 속도 기울기(LVG) 또는 국소 열역학적 평형(LTE) 근사 중 하나를 선택하여 관측된 선을 모델링하였다.
• 소스 평균 총량 밀도를 유도하기 위해 SiO-p-H₂ 및 SiS-o-H₂의 업데이트된 충돌률을 방사선 전달 계산에 적용하였다.
• 15.5 km/s 피크의 공간 기원을 조사하기 위해 J=5–4 SiO 선을 맵핑하고, 오프셋 위치의 방출과 비교하였다.
• 가스-입자 화학 모델의 격자 계산을 통해 SiO 및 SiS의 형성 경로를 시험하였으며, 입자 표면에서 황의 반응성에 변화를 주었다.
• 다중 스펙트럼 성분(핫 코어, 플라토, 고속 등)을 고려하여 선형 프로파일에서 총량 밀도 비율 및 진동 온도를 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SiO와 SiS를 방출하는 오리온 KL의 다양한 성분에서 기체 온도, 밀도, 속도 분산 등의 물리적 조건은 어떠한가?
• RQ2 왜 SiS 방출은 15.5 km/s에서 가장 강력한가? 이 피크의 공간적 및 역학적 기원은 무엇인가?
• RQ3 SiO와 SiS의 총량 밀도 및 이소토프 비율은 어떻게 비교되며, 이는 원소 비율과 화학에 대해 어떤 통찰을 제공하는가?
• RQ4 관측된 SiO 및 SiS 농도는 기체상 또는 입자 표면 반응 경로로 재현될 수 있는가?
• RQ5 SiC, SiCN, SiNC와 같은 검출되지 않은 실리콘 함유 종의 상한선은 무엇인가?

주요 결과

• 오리온 KL에서 SiO(v=1)의 J=4–3 전이가 처음으로 검출되었으며, J=2–1 선과 함께 강한 마이저 방출을 보였다.
• SiS에 대해 명백한 15.5 km/s 방출 피크가 확인되었고, 이는 BN 물체와 공간적으로 연관되어 있으며, 유동-구름 상호작용에서 기인할 가능성이 높으며, T_K = 200 K, n(H₂) = 5 × 10⁶ cm⁻³, v_half = 7.5 km/s로 추정된다.
• 플라토 성분에서 SiO/SiS 총량 밀도 비율은 약 13이며, 우주적 O/S 비율(약 48)보다 현저히 낮아 SiS는 예상보다 덜 풍부함을 시사한다.
• 15.5 km/s 피크에서 SiS(v=1)의 진동 온도는 약 500 K로, 기체 온도보다 높아 적외선 펌핑 또는 기저 상태 선에서 보이지 않는 따뜻한 성분이 존재할 가능성을 시사한다.
• 화학적 모델링 결과 SiO는 기체상 또는 입자 표면 반응 경로 양쪽 모두에서 재현 가능하지만, SiS 형성은 실리콘과 황의 표면 반응이 필수적이며, 관측 결과를 일치시키기 위해 입자에 결합된 황의 약 5–10%만 효율적으로 반응한다고 추정된다.
• 검출되지 않은 종의 상한선는 다음과 같다: SiC (1.3 × 10¹⁴ cm⁻²), SiC₂ (3.5 × 10¹³ cm⁻²), c-SiC₃ (1.3 × 10¹³ cm⁻²), SiC₄ (3.5 × 10¹² cm⁻²), SiN (6.1 × 10¹³ cm⁻²), SiCN (3.1 × 10¹³ cm⁻²), SiNC (3.1 × 10¹³ cm⁻²).