[논문 리뷰] 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 Gal외 31명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 07.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 83인용 수 24

한 줄 요약

이 연구는 밀리미터 파장 관측과 기체-먼지 화학 모델 Nautilus를 사용하여 어둠직은 분자운성운 TMC 1-C, TMC 1-CP, 그리고 Barnard 1b에서 황 화학을 조사한다. 화학적 탈착이 기체상 H2S의 주요 원천이며, 고밀도 영역(n_H > 2×10⁴ cm⁻³)에서 탈착 효율이 감소하는 것으로 나타났는데, 이는 H2O 및 CO 얼음 막대의 두꺼워짐으로 인한 것으로 보인다. H2S와 SO 농도는 은하계 황 농도로 잘 재현되지만, CS는 5–10배 과대 예측된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 세 개의 어둠직은 분자핵(TMC 1-C, TMC 1-CP, Barnard 1b)에서 물리 조건과 H2S 농도를 규명하는 것.
• 기체 표면에서 H2S를 기체상으로 방출하는 데 기여하는 화학적 탈착 및 광탈착의 역할을 조사하는 것.
• 관측된 H2S, SO, CS 농도와 모델 예측을 비교하여 이들 핵에서 황 원소 농도를 평가하는 것.
• H2S 농도 변화와 얼음 덮개의 화학 조성(특히 H2O 및 CO) 간의 연관성을 탐색하는 것.
• 관측된 H2S 농도가 차가운 핵에서 SNOWLINE 위치를 제약하는 데 기여할 수 있는지 평가하는 것.

제안 방법

• Dust emission과 복사전달 모델링을 통해 밀리미터 파장에서의 H2S, SO, CS 및 이소토폴로그의 관측을 이용해 밀도, 온도, 자외선 복사장과 같은 물리 조건을 유도하였다.
• TMC 1-C, TMC 1-CP, Barnard 1b의 물리적 구조를 추론하기 위해 1차원 구형 대칭 BE(Bonnor-Ebert) 모델을 적용하였다.
• 기체-먼지 화학 모델 Nautilus를 사용하여 기체 표면에서의 황 화학, 특히 생성 및 탈착 과정을 시뮬레이션하였다.
• 화학적 탈착 및 광탈착 효율을 변화시켜 고밀도 조건에서 H2S 농도에 미치는 영향을 시험하였다.
• 기체 핵을 따라 얼음 막대 조성(H2O, CO, H2S)을 추적하여 H2S 탈착 효율 변화와의 연관성을 분석하였다.
• H2S, SO, CS 농도에 대한 모델 예측값을 관측치와 비교하여 황 원소 농도를 제약하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하계 어둠직은 분자운에서 H2S를 기체상으로 방출하는 데 주로 기여하는 메커니즘은 무엇인가요?
• RQ2 기체 밀도가 증가함에 따라 H2S에 대한 화학적 탈착 효율은 어떻게 변화하며, 이러한 변화를 설명할 수 있는 물리적 과정은 무엇인가요?
• RQ3 관측된 H2S, SO, CS 농도를 바탕으로 TMC 1-C, TMC 1-CP, Barnard 1b에서 원소 황 농도는 얼마인가요?
• RQ4 기체 핵을 따라 얼음 덮개 조성(H2O, CO, H2S)은 어떻게 변화하며, 이러한 변화는 H2S 탈착 효율과 어떻게 연관되어 있나요?
• RQ5 관측된 CS 농도가 모델 예측보다 크게 높은 이유는 무엇이며, 이는 황 화학에 대해 어떤 함의를 갖는가요?

주요 결과

• 화학적 탈착은 어둠직은 핵에서 H2S를 기체상으로 방출하는 주요 메커니즘이며, 특히 저밀도 영역(n_H < 2×10⁴ cm⁻³)에서 두드러진다.
• H2S 농도가 모델에 잘 맞추어지기 위해서는 n_H > 2×10⁴ cm⁻³ 영역에서 화학적 탈착 효율이 10배 이상 감소해야 한다.
• 이러한 감소된 탈착 효율은 기체 표면에 두꺼운 H2O 및 CO 얼음 막대가 형성됨과 관련되어 있으며, 이는 표면 화학의 전이를 시사한다.
• 관측된 H2S 및 SO 농도는 우주적 황 농도(S/H ~ 1.35×10⁻⁵)로 잘 일치하며, 10배 이내의 오차 범위 내에 있다.
• 모델은 기체상 CS 농도를 5–10배 과대 예측하여, CS 생성 또는 분해 경로에 상당한 불확실성이 있음을 시사한다.
• 모든 세 핵에서 원자 황이 주요 황 저장소로 예측되며, 이는 고밀도 환경에서 황 화학의 이해가 아직 불완전하다는 것을 강조한다.