[논문 리뷰] Gas phase Elemental abundances in Molecular cloudS (GEMS) I. The prototypical dark cloud TMC 1

A. Fuente, D. Navarro외 31명|PubMed|2018. 09. 13.

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한 줄 요약

이 연구는 IRAM 30m 및 Yebes 40m 전자망원경을 이용한 밀리미터파 관측을 통해 TMC-1 어두운 연기운의 반반투명에서 조밀한 영역에 이르는 기체상 원소 농도와 이온화 분율을 조사한다. 반반투명 영역(A_V ~ 3–10 mag)에서 탄소, 산소, 황의 점진적 고착이 관측되며, 특히 황은 태양 농도 대비 약 7–40배의 강한 고착을 보이며, 수소 분자의 우주선 이온화율은 ζ_H₂ ~ (0.5–1.8)×10⁻¹⁶ s⁻¹로 제약된다.

ABSTRACT

GEMS is an IRAM 30m Large Program whose aim is determining the elemental depletions and the ionization fraction in a set of prototypical star-forming regions. This paper presents the first results from the prototypical dark cloud TMC 1. Extensive millimeter observations have been carried out with the IRAM 30m telescope (3 mm and 2 mm) and the 40m Yebes telescope (1.3 cm and 7 mm) to determine the fractional abundances of CO, HCO⁺, HCN, CS, SO, HCS⁺, and N₂H⁺ in three cuts which intersect the dense filament at the well-known positions TMC 1-CP, TMC 1-NH3, and TMC 1-C, covering a visual extinction range from A <i>_V</i> ~ 3 to ~20 mag. Two phases with differentiated chemistry can be distinguished: i) the translucent envelope with molecular hydrogen densities of 1-5×10³ cm^-3; and ii) the dense phase, located at A <i>_V</i> > 10 mag, with molecular hydrogen densities >10⁴ cm^-3. Observations and modeling show that the gas phase abundances of C and O progressively decrease along the C⁺/C/CO transition zone (A <i>_V</i> ~ 3 mag) where C/H ~ 8×10^-5 and C/O~0.8-1, until the beginning of the dense phase at A <i>_V</i> ~ 10 mag. This is consistent with the grain temperatures being below the CO evaporation temperature in this region. In the case of sulfur, a strong depletion should occur before the translucent phase where we estimate a S/H ~ (0.4 - 2.2) ×10^-6, an abundance ~7-40 times lower than the solar value. A second strong depletion must be present during the formation of the thick icy mantles to achieve the values of S/H measured in the dense cold cores (S/H ~8×10^-8). Based on our chemical modeling, we constrain the value of <i>ζ</i> _H₂ to ~ (0.5 - 1.8) ×10^-16 s^-1 in the translucent cloud.

연구 동기 및 목표

• 반반투명에서 조밀한 분자운 영역으로의 전이 단계에서 탄소, 산소, 황의 기체상 원소 농도를 결정하기 위해.
• TMC-1의 반반투명 매질에서 수소 분자(H₂)의 우주선 이온화율(ζ_H₂)을 제약하기 위해.
• 초기 항성 형성 단계에서 핵심 원소의 화학적 진화 및 고착 과정을 조사하기 위해.
• 저질량 항성 형성 과정에서 황의 운명을 분석하여-dust 입자에 고착된 상태를 평가하기 위해.

제안 방법

• IRAM 30m 및 Yebes 40m 전자망원경을 이용해 3 mm, 2 mm, 1.3 cm, 7 mm 대역에서 광범위한 밀리미터 및 서브밀리미터 관측을 수행하였다.
• TMC 1-CP, TMC 1-NH3, TMC 1-C 위치를 중심으로 TMC-1를 관통하는 세 개의 컷에서 CO, HCO⁺, HCN, CS, SO, HCS⁺, N₂H⁺의 분율 농도를 측정하였다.
• 시각적 투과도에 따른 화학 반응과 원소 고착 및 이온화 분율을 유도하기 위해 Meudon PDR 코드를 사용하였다.
• 다양한 A_V(3–20 mag)에서 분자의 농도 경향을 분석하여 반반투명 영역과 조밀한 영역을 구분하였다.
• 관측된 이온 및 라디칼 농도를 기반으로 화학 네트워크 모델링을 통한 ζ_H₂ 추정을 수행하였다.
• 눈금화된 얼음 막대 형성 과정을 모델링하고 태양 농도와 비교함으로써 황의 고착 정도를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TMC-1의 반반투명 영역(A_V ~ 3–10 mag)에서 탄소, 산소, 황의 기체상 농도는 각각 얼마인가요?
• RQ2 반반투명 매질에서 수소 분자(H₂)의 우주선 이온화율(ζ_H₂)은 어떻게 변화하며, 희박한 간성간 매질의 값과 비교해보면 어떠한가요?
• RQ3 희박한 매질에서 조밀한 매질로의 전이 과정에서 탄소, 산소, 황의 고착을 이끄는 과정은 무엇인가요?
• RQ4 저질량 항성 형성 과정에서 황은 어느 정도의 비율로 먼지 입자에 고착되어 있으며, 기체상으로 방출되는 비율은 얼마인가요?
• RQ5 관측된 분자 농도 경향은 초기 항성 형성 영역에서 이온화 분율과 화학적 진화에 대해 어떤 정보를 제공합니까?

주요 결과

• 반반투명 영역(A_V ~ 3–10 mag)에서 C/H는 약 ~8×10⁻⁵에서 ~4×10⁻⁵ 사이로 변동하며, 탄소의 상당한 고착이 일어나고 있음을 시사한다.
• 반반투명 영역에서 C/O 비율은 약 0.8–1.0로, 투명도가 낮은 매질(A_V < 3 mag)에서 산소의 우선적 고착이 일어나고 있음을 시사한다.
• 황은 태양 농도 대비 약 7–40배의 강한 고착을 보이며, 반반투명 영역에서 S/H ~ (0.4–2.2)×10⁻⁶로 측정된다.
• 조밀한 영역(A_V > 10 mag)에서는 두 번째로 강한 황 고착이 발생하여 S/H가 약 ~8×10⁻⁸로 감소하며, 얼음 막대에 포함된 것으로 나타난다.
• 반반투명 영역에서 수소 분자(H₂)의 우주선 이온화율은 ζ_H₂ ~ (0.5–1.8)×10⁻¹⁶ s⁻¹로 제약되며, 희박한 매질에서 유도된 값보다 略적으로 낮다.
• 희박하고 반반투명 매질에서 먼지 입자에 고착된 황 원자는 저질량 항성 형성 과정 동안 기체상으로 효율적으로 방출되지 않으며, 약 90%가 입자에 갇혀 있는 것으로 나타났다.