[논문 리뷰] ISO-SWS observations of interstellar solid 13CO2: heated ice and the Galactic 12C/13C abundance ratio

A. C. A. Boogert, P. Ehrenfreund외 8명|arXiv (Cornell University)|1999. 09. 29.

Astrophysics and Star Formation Studies인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 13개의 은하계 선단을 향한 고질량 원시성우 환경에서 열처리 효과를 나타내는 4.382 µm에서의 좁은 서브구조를 통해 고체 13CO2 얼음의 열역학적 처리를 분석하기 위해 ISO-SWS 적외선 분광법을 사용한다. 이는 처음으로 고체 상태에서 은하계 12C/13C 비율을 결정한 것으로, 69±15로 도출되었으며 기체상 측정 결과와 일치하여 우주에서의 CO2의 화학적 기원에 차이가 있을 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We present observations of the stretching mode of 13CO2 ice along 13 lines of sight in the Galaxy, using the Short Wavelength Spectrometer on board of the Infrared Space Observatory. Remarkable variations are seen in the absorption band profile in the different lines of sight. The main feature is attributed to 13CO2 mixed with polar molecules such as H2O, and CH3OH. Several high-mass protostars show an additional narrow substructure at 4.382 um, which we attribute to a polar CO2 ice, that experienced heating. This heating effect is sustained by a good correlation of the strength of the substructure with dust and CO gas temperatures along the line of sight, and anti-correlation with ice abundances. Thus, our main conclusion is that interstellar CO2 ices around luminous protostars are subjected to, and altered by, thermal processing and that it may reflect the evolutionary stage of the nearby protostar. In contrast, the ices around low mass protostars and in a quiescent cloud in our sample do not show signs of thermal processing. Furthermore, we determine for the first time the Galactic 12C/13C ratio from the solid state. The 12CO2/13CO2 ratio for the local ISM (69+/-15), as well as the dependence on Galacto-centric radius, are in good agreement with gas phase (C18O, H2CO) studies. For the few individual objects for which gas phase values are available, the 12C/13C ratios derived from CO2 tend to be higher compared to CO studies (albeit with 2.5 sigma significance only). We discuss the implications of this possible difference for the chemical origin of interstellar CO2.

연구 동기 및 목표

• 다양한 성간 형성 환경에서의 은하계 CO2 얼음의 물리적 및 화학적 처리를 조사하기 위해.
• 고체 상태 CO2 얼음 흡수 특징을 이용하여 은하계 12C/13C 농도 비율을 결정하기 위해.
• 원시성우 주변에서 얼음 조성의 변화를 유도하는 열처리의 역할을 평가하기 위해.
• 고체 상태 12C/13C 비율을 기체상 측정치와 비교하고 화학적 함의를 평가하기 위해.

제안 방법

• 적외선 우주 관측기(ISO)의 단파장 분광기(SWS)를 이용한 고체 상태 13CO2 얼음의 진동 모드 흡수 관측.
• 고질량 및 저질량 원시성우, 그리고 안정된 가열되지 않은 구름을 포함한 다양한 은하계 천체를 향한 13개의 선단에서의 흡수 밴드 프로파일 분석.
• 고질량 원시성우 선단에서 4.382 µm에서 좁은 서브구조를 식별하였으며, 이는 열처리된 극성 CO2 얼음 상으로 해석된다.
• 서브구조 강도와 먼지 및 CO 기체 온도 간의 상관관계, 얼음 농도와의 반비례 관계를 분석하여 열처리 효과를 추론한다.
• 알려진 동위성 농도 분포를 가정하고 13CO2 밴드 깊이에서 12CO2/13CO2 비율을 유도한다.
• 유도된 고체 상태 12C/13C 비율을 C18O 및 H2CO 관측에서 유도된 기체상 값과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열처리가 원시성우 환경에서 은하계 CO2 얼음의 구조와 스펙트럼 특징에 영향을 미치는가?
• RQ2 고체 상태 CO2 얼음 관측을 통해 유도된 은하계 12C/13C 농도 비율은 얼마인가?
• RQ3 고체 상태 12C/13C 비율은 C18O 및 H2CO와 같은 기체상 분자로부터 유도된 비율과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 4.382 µm 서브구조의 강도는 선단을 따라 먼지 및 CO 기체 온도와 상관관계가 있는가?
• RQ5 고체 상태와 기체상 12C/13C 비율 간의 차이는 은하계 CO2의 화학적 기원에 대해 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 고질량 원시성우 선단에서만 13CO2 얼음 흡수 밴드에서 4.382 µm에서 좁은 서브구조가 관측되었으며, 이는 극성 CO2 얼음의 열처리를 나타낸다.
• 4.382 µm 서브구조 강도는 먼지 및 CO 기체 온도와 정비례하고 얼음 농도와는 반비례하며, 이는 열처리 기원을 지지한다.
• 고체 상태 CO2 얼음에서 유도된 은하계 12C/13C 비율은 69±15로 도출되었으며, C18O 및 H2CO 관측을 통한 기체상 연구와 일치한다.
• 가용한 기체상 데이터가 있는 개별 천체들에 대해 고체 상태 12C/13C 비율은 약 2.5 표준편차 높게 나타나, CO2 생성 경로에서 화학적 차이가 있을 수 있음을 시사한다.
• 저질량 원시성우나 안정된 가열되지 않은 구름 주변의 얼음에는 열처리의 징후가 관측되지 않아, 가열 효과가 고광도 원시성우 환경에 특이적임을 나타낸다.
• 결과는 고질량 원시성우 환경에서 CO2 얼음이 열처리를 겪으며, 중심 천체의 진화 단계를 반영함을 지지한다.