[논문 리뷰] High sensitivity maps of molecular ions in L1544: I. Deuteration of N2H+ and HCO+ and first evidence of N2D+ depletion

E. Redaelli, L. Bizzocchi외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 18.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 55인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 전성운핵 L1544의 N₂H⁺, N₂D⁺, HCO⁺ 및 그 중수화 이소토폴로드의 다수의 회전 전이에 대해 고감도 비-LTE 복사전달 분석을 제시한다. 자외선 분해 모델을 통해 진동 조건을 제약한 결과, N₂H⁺의 D/H 비율은 0.26⁺⁰.¹⁵₋₀.¹⁴, HCO⁺의 D/H 비율은 0.035⁺⁰.⁰¹⁵₋₀.⁰¹²로 보고되었으며, 핵심 영역에서 N₂D⁺의 빈도 감소 현상에 대한 관측적 증거를 최초로 확보하여 화학 모델의 예측을 확인하고 초기 항성 형성에서 이온화도 추정에 중요한 제약 조건을 제공한다.

ABSTRACT

Context. The deuterium fraction in low-mass prestellar cores is a good diagnostic indicator of the initial phases of star formations, and it is also a fundamental quantity to infer the ionisation degree in these objects. Aims. With the analysis of multiple transitions of $ m N_2H^+$, $ m N_2D^+$, $ m HC^{18}O^+$ and $ m DCO^+$ we are able to determine the molecular column density maps and the deuterium fraction in $ m N_2H^+$ and $ m HCO^+$ toward the prototypical prestellar core L1544. This is the preliminary step to derive the ionisation degree in the source. Methods. We use a non-local thermodynamic equilibrium (non-LTE) radiative transfer code, combined with the molecular abundances derived from a chemical model, to infer the excitation conditions of all the observed transitions, which allows us to derive reliable maps of each molecule's column density. The ratio between the column density of a deuterated species and its non-deuterated counterpart gives the searched deuteration level. Results. The non-LTE analysis confirms that, for the analysed molecules, higher-J transitions are characterised by excitation temperatures $\approx 1-2\,$K lower than the lower-J ones. The chemical model that provides the best fit to the observational data predict the depletion of $ m N_2H^+$ and to a lesser extent of $ m N_2D^+$ in the innermost region. The peak values for the deuterium fraction that we find are $\mathrm{D/H_{N_2H^+}} = 0.26^{+0.15}_{-0.14}$ and $\mathrm{D/H_{HCO^+}} = 0.035^{+0.015}_{-0.012}$, in good agreement with previous estimates in the source.

연구 동기 및 목표

• 고감도 관측을 통해 전성운핵 L1544에서 분자 이온 및 그 중수화 이소토폴로드의 공간 해상도가 높은 열량 밀도 맵을 유도하기 위해 노력한다.
• 비-LTE 복사전달과 화학 모델 제약 조건을 융합하여 N₂H⁺와 HCO⁺의 중수화 분수를 보다 정확하게 결정한다.
• 핵심 분자 종의 진동 조건과 공간 분포를 조사하며, 특히 핵심 영역에서 N₂D⁺의 거동에 초점을 맞춘다.
• 화학 모델의 주요 예측 중 하나인 N₂D⁺의 빈도 감소에 대한 관측적 증거를 제공하고, 이로 인한 이온화도 추정에 미치는 영향을 평가한다.
• 저질량 항성 형성에서 공간 해상도가 높은 이온화도 맵핑의 기초를 다지기 위해 분자 농도와 진동 조건을 특성화한다.

제안 방법

• IRAM 30m 전파망원경을 사용하여 N₂H⁺, N₂D⁺, HCO⁺, HC¹⁸O⁺, DCO⁺의 다수의 회전 전이에 대해 고감도 단일 안테나 관측을 수행하였다.
• 비-LTE 복사전달 코드를 활용하여 관측된 전이의 진동 조건을 모델링하였으며, 비열적 진동과 준위 분포를 고려하였다.
• 화학 모델 출력물을 복사전달 코드의 입력으로 사용하여 분자 농도를 제약함으로써 열량 밀도 유도의 신뢰도를 향상시켰다.
• 각 전이별로 진동 온도를 유도하였으며, 고차수 J 전이에서는 저차수 J 전이보다 낮은 진동 온도(약 1–2 K)를 나타내었다.
• 중수화 비율(D/H)은 중수화 종의 열량 밀도를 비중수화 종의 열량 밀도로 나눈 비율로 계산되었으며, 관측 및 모델링 오차에서 기인한 불확도를 반영하였다.
• HC¹⁸O⁺의 선택적 광분해를 고려하였으며, 이는 더 깊이 있는 핵심 영역으로 침투할 수 있어 공간 분포에 영향을 미친다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 L1544에서 N₂H⁺, N₂D⁺, HCO⁺ 및 그 중수화 이소토폴로드의 공간 해상도가 높은 열량 밀도 분포는 어떻게 되는가?
• RQ2 N₂H⁺와 HCO⁺의 중수화 비율은 핵심 영역 전역에서 어떻게 변화하며, 이는 이온화도와 화학 진화에 대해 어떤 정보를 제공하는가?
• RQ3 화학 모델의 예측과 같이 L1544의 핵심 영역에서 N₂D⁺가 빈도 감소를 보이고 있는가? 이는 핵심의 물리적·화학적 구조에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 비-LTE 효과와 전이 간 진동 온도 변화는 유도된 분자 농도와 중수화 수준에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 HC¹⁸O⁺의 선택적 광분해는 HCO⁺와 비교해 관측된 열량 밀도 분포에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 비-LTE 분석은 L1544의 분자 이온에서 고차수 J 전이가 약 1–2 K의 진동 온도를 가지며, 저차수 J 전이보다 낮음을 확인하였다.
• 최적의 화학 모델은 L1544의 핵심 영역에서 N₂H⁺의 빈도 감소를 예측하며, N₂D⁺의 경우는 다소 덜하지만 동일한 경향을 보였다. 이는 전성운핵에서 N₂D⁺ 빈도 감소에 대한 최초의 관측적 증거이다.
• N₂H⁺의 중수화 비율은 D/H = 0.26⁺⁰.¹⁵₋₀.¹⁴로 측정되었으며, 이는 이전의 추정과 일치하며 핵심 영역 내 강한 중수소 분수화를 시사한다.
• HCO⁺의 중수화 비율은 D/H = 0.035⁺⁰.⁰¹⁵₋₀.⁰¹²로 나타나 N₂H⁺보다 낮은 중수화 수준을 보이며, 동결 축적과 빈도 감소에 더 민감한 경향을 반영한다.
• D/H 맵은 흐린 먼지 연속성 피크 부근에서 높은 피크를 보이며, N₂H⁺의 경우 HCO⁺보다 중수화가 더 빠르게 감소하는 경향을 보인다. 이는 동결 축적 행동과 중수화 종의 공간 분포의 차이에서 기인한다.
• N₂H⁺와 N₂D⁺의 모델 예측 농도와 관측 농도 간의 괴리로 인해 예측 농도를 최대 300%까지 증가시켜야 관측 결과와 일치시킬 수 있었으며, 이는 현재 화학 모델의 한계 또는 추가적인 물리적 과정이 작용하고 있음을 시사한다.