[논문 리뷰] Gas-phase Elemental abundances in Molecular cloudS (GEMS) III. Unlocking the CS chemistry: the CS+O reaction

Niyazi Bulut, Octavio Roncero외 37명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 18.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 74인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 고체 상태에서의 반응 속도를 계산하기 위해 밀도함수이론 기반의 양자화학 및 역학 방법을 사용하여, 150 K 이하의 간성 온도에서 CS+O 반응 속도를 계산하였으며, 10 K에서의 반응 속도 상수가 <10⁻¹⁵ cm³ s⁻¹로 극히 미미한 것으로 밝혀졌다. 결과적으로 이 반응은 냉각된 분자운에서 CS 파괴 경로로 중요한 역할을 함을 입증하였으며, TMC-1 화학 모델링에서 업데이트된 황 빈도 및 우주선 이온화율 처리와 결합함으로써 모델과 관측 간의 괴리 문제를 해결하였다.

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 -&gt; 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 &lt;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.

연구 동기 및 목표

• 냉각된 어두운 분자운에서 화학 모델과 관측 간의 오랜 기간 지속된 CS 농도 괴리 문제를 해결하기 위해.
• 우주 황 농도를 가정할 경우 관측된 농도를 재현하지 못하는 상황에서, CS+O 반응이 저온에서의 CS 파괴 메커니즘으로 가능성이 있는지 조사하기 위해.
• 실험 데이터가 확보되지 않은 우주선 매질에서 중요한 온도 범위(T < 150 K)에서 CS+O 반응의 정확한 열역학적 속도 상수를 제공하기 위해.
• 이론적으로 유도된 속도 상수를 통합하고 그 영향을 CS, HCS⁺ 및 H₂S와 같은 관측된 종의 농도에 미치는 영향을 평가함으로써 천체화학 모델의 황 화학 네트워크를 향상시키기 위해.
• 시각적 투과도에 따라 변화하는 우주선 이온화율(ζH₂)이 TMC-1 내 황 수소 화합물 농도에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• CS + O 체계에 대해 세 개의 낮은 에너지 상태의 포텐셜 에너지 표면(PES)을 고수준 ab initio 계산을 통해 수립하기 위해.
• 열역학적 속도 상수를 온도 범위 전역에서 계산하기 위해 고전적, 양자역학적, 반고전적 역학 방법을 적용하기 위해.
• 정확성과 신뢰성을 확보하기 위해 150–400 K 범위에서 기존 실험 데이터와 이론 결과를 대조하기 위해.
• 유도된 속도 상수를 시간에 따라 변화하는 화학 네트워크 모델에 적용하여 토라우스 분자운 1(TMC-1) 내 황 수소 화합물의 농도를 시뮬레이션하기 위해.
• GEMS 프로젝트의 관측 데이터를 사용하여 황 빈도 요인과 공간적으로 변화하는 우주선 이온화율(ζH₂)을 고려해 모델을 검증하기 위해.
• 모델 예측값을 CS, HCS⁺, SO 및 H₂S의 관측 농도와 비교하여 모델 성능을 평가하고 잔류 괴리 사항을 특정하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 냉각된 분자운에서 중요한 온도 범위인 150 K 이하, 특히 10 K에서 CS+O 반응의 열역학적 속도 상수는 얼마인가요?
• RQ2 150–400 K 범위에서 이론적 속도 상수가 실험 데이터와 어떻게 비교되며, 이는 계산 방법론의 신뢰성을 확인하는 데 기여합니까?
• RQ3 우주 황 농도를 가정할 경우 CS 농도를 과도하게 예측하는 문제를 해결하기 위해 CS+O 반응을 화학 모델에 통합할 수 있습니까?
• RQ4 시각적 투과도에 따라 변화하는 우주선 이온화율(ζH₂)이 TMC-1 내 황 수소 화합물의 예측 농도에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ5 황 빈도와 ζH₂의 공간적 변화를 고려한 후에도 H₂S 농도가 여전히 과소평가되는 이유는 무엇이며, 추가로 누락된 화학 반응 경로는 무엇일 수 있나요?

주요 결과

• 10 K에서의 이론적 속도 상수는 <10⁻¹⁵ cm³ s⁻¹로 극히 미미하며, 실험 데이터의 아레니우스 외삽과 일치한다.
• 150–400 K 범위에서의 이론적 속도 상수는 실험 측정치와 뛰어난 일치를 보이며, 계산 방법론의 신뢰성을 확인한다.
• 황 빈도 요인 20을 고려할 경우, CS+O 반응을 화학 모델에 통합함으로써 TMC-1 내 관측된 CS 및 HCS⁺ 농도와의 일치도 향상된다.
• CS 및 HCS⁺에 대한 일치도 향상에도 불구하고, 황 빈도가 무시할 만큼 낮지 않은 한(H₂S 농도 S/H = 1.5 × 10⁻⁵), H₂S 농도는 10배 이상 과소평가된다.
• 시각적 투과도에 따라 감소하는 ζH₂를 고려한 후에도 H₂S 농도를 재현하지 못하는 것은 황 화학에서 누락되거나 불확실한 반응 경로가 여전히 존재함을 시사한다.
• 중성 원자 황 반응 속도, S⁺ 반응의 분해비율, HCS⁺의 해리 재결합 속도 등에 대한 큰 불확실성이 남아 있으며, 향후 이론적 및 실험적 연구가 필요함을 시사한다.