[논문 리뷰] Detection of N15NH+ in L1544

L. Bizzocchi, P. Caselli외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 01. 27.

Astro and Planetary Science인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 IRAM 30m 망원경을 사용하여 냉각된 예비성운 L1544에서 N¹⁵NH⁺의 최초 탐지 결과를 보고한다. N¹⁵NH⁺에서 측정된 ¹⁴N/¹⁵N 농도 비율 446 ± 71은 약 450인 태양계 기원 비율과 일치하며, 기체상 이온-분자 반응과 CO의 선택적 탈구를 통한 질소 이소토프 분수화가 냉각된 간성간 환경에서 예측된 바와 같이 직접 관측적 근거를 제공한다.

ABSTRACT

Excess levels of 15N isotopes which have been detected in primitive solar system materials are explained as a remnant of interstellar chemistry which took place in regions of the protosolar nebula. Chemical models of nitrogen fractionation in cold clouds predict an enhancement in the gas-phase abundance of 15N-bearing molecules, thus we have searched for 15N variants of the N2H+ ion in L1544, which is one of the best candidate sources for detection owing to its low central core temperature and high CO depletion. With the IRAM 30m telescope we have obtained deep integrations of the N2H+(1-0) line at 91.2 GHz. The N2H+(1-0) line has been detected toward the dust emission peak of L1544. The 14N/15N abundance ratio in N2H+ resulted 446+/-71, very close to the protosolar value of ~450, higher than the terrestrial ratio of ~270, and significantly lower than the lower limit in L1544 found by Gerin et al. (2009, ApJ, 570, L101) in the same object using ammonia isotopologues.

연구 동기 및 목표

• 이론적 질소 이소토프 분수화 모델을 냉각되고 밀도가 높은 간성간 환경에서 검증하기 위해 ¹⁵N 함유 분자 이온을 탐색한다.
• 원시 태양계 물질에서 관측된 증가된 ¹⁵N 농도가 기체상 이온-분자 반응을 통해 냉각된 예비성운에서 기인했는지 조사한다.
• L1544, 즉 전형적인 침체 상태이자 CO가 탈구된 성운에서 핵심 질소 함유 이온인 N¹⁵NH⁺의 ¹⁴N/¹⁵N 비율을 결정한다.
• N¹⁵NH⁺에서 관측된 ¹⁴N/¹⁵N 비율을 암모니아 이소토플로이드와 지구/태양계 기원 값과 비교하여 현재 화학 모델의 타당성을 평가한다.

제안 방법

• L1544의 먼지 방출 피크를 향해 IRAM 30m 망원경을 사용해 N¹⁵NH⁺ (1-0) 회전 전이선을 깊이 통합한다.
• 초기 상태 구조와 아인슈타인 A 계수를 고려한 복사전달 방정식을 사용해 N¹⁵NH⁺의 진동 온도와 총 농도를 유도한다.
• 다이폴 전단 모멘트(μ = 3.31 ± 0.20 D)의 가중 평균을 사용해 F=2–1 초미세 구조 전이의 아인슈타인 A 계수를 계산하여 A = 3.23 ± 0.40 × 10⁻⁵ s⁻¹를 산출한다.
• 스핀-회전 분할 함수 Q_sr(T_ex)와 주 beam 밝기 온도 T_mb를 사용해 복사전달 방정식을 통해 총 농도를 계산한다.
• N₂H⁺(1.83 × 10¹³ cm⁻²)의 농도와 비교해 N¹⁵NH⁺의 ¹⁴N/¹⁵N 농도 비율을 결정한다.
• A, T_ex, 그리고 통합 강도에서 유래한 오차를 전파하여 최종 농도 비율의 오차 예산을 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 L1544의 N¹⁵NH⁺에서 ¹⁴N/¹⁵N 비율이 약 450인 태양계 기원 비율과 일치하는가?
• RQ2 관측된 N¹⁵NH⁺에서의 ¹⁴N/¹⁵N 비율은 냉각되고 CO가 탈구된 예비성운에서 질소 이소토프 분수화가 발생한다는 이론적 예측을 지지하는가?
• RQ3 Gerin 등(2009)이 동일한 소스에서 ¹⁵NH₂D를 비검출한 결과로부터 유도된 하한값 700보다 N¹⁵NH⁺의 ¹⁴N/¹⁵N 비율은 어떻게 비교되는가?
• RQ4 관측된 N¹⁵NH⁺ 농도 비율은 시간에 따라 변화하는 기체/고체 화학 모델의 질소 분수화 예측과 호환되는가?
• RQ5 N¹⁵NH⁺의 농도는 냉각 성운에서 다양한 질소 함유 종의 상대적 분수화 정도에 대해 무엇을 시사하는가?

주요 결과

• IRAM 30m 망원경을 사용해 L1544의 먼지 피크 방향에서 N¹⁵NH⁺ (1-0) 선을 성공적으로 탐지하였다.
• N¹⁵NH⁺에서 유도된 ¹⁴N/¹⁵N 농도 비율은 446 ± 71이며, 약 450인 태양계 기원 비율과 뛰어난 일치를 보였다.
• 이 비율은 지구의 ¹⁴N/¹⁵N 비율(~270)보다 뚜렷이 높으며, Gerin 등(2009)이 L1544에서 ¹⁵NH₂D를 비검출한 결과로부터 유도된 하한값 700보다 낮다.
• N¹⁵NH⁺에서 측정된 ¹⁴N/¹⁵N 비율은 국소 간성간 매질의 원소 이소토프 비율과 일치하여, N¹⁵NH⁺가 원소 농도를 초월해 강하게 분수화되지 않았을 가능성을 시사한다.
• 현재 모델이 선택적 탈구와 이온-분자 반응으로 인해 N₂H⁺에서 ¹⁵N 농도가 크게 증가할 것이라고 예측하고 있으나, 관측된 비율은 기대되는 과잉 농도를 보이지 않아 이에 도전한다.
• N¹⁵NH⁺의 탐지는 냉각되고 CO가 탈구된 환경이 질소 이소토프 분수화에 기여한다는 역할을 지지하지만, 모델 예측을 검증하기 위해 ¹⁵NNH⁺와 같은 다른 이소토플로이드의 추가 관측이 필요하다는 점을 시사한다.