[논문 리뷰] Nitrogen hydrides in interstellar gas II. Analysis of Herschel/HIFI observations towards W49N and G10.6-0.4 (W31C)

C. M. Persson, M. De Luca외 15명|UCL Discovery (University College London)|2012. 08. 20.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 74인용 수 44

한 줄 요약

이 연구는 고질량 성형 영역 W49N과 G10.6−0.4 방향으로의 허셸/HIFI 밀리미터파 관측을 통해 질소 수소화합물(NH, o-NH₂, o-NH₃, para-NH₃)을 분석하여, 높은 분자 분율을 가진 희박/반투명 기체에서 이들 종의 공존을 규명한다. 주요 발견은 암모니아의 비정상적으로 낮은 오르토-파라 비율(~0.5–0.7), 속도 성분 간 일관된 농도 비율, 그리고 NH⁺의 상대 농도에 대한 상한선가 NH보다 낮음을 시사하며, 이는 현재의 천체화학 모델에 도전한다.

ABSTRACT

We have used the Herschel-HIFI instrument to observe interstellar nitrogen hydrides along the sight-lines towards W49N and G10.6-0.4 in order to elucidate the production pathways leading to nitrogen-bearing species in diffuse gas. All detections show absorption by foreground material over a wide range of velocities, as well as absorption associated directly with the hot-core source itself. As in the previously published observations towards G10.6-0.4, the NH, NH2 and NH3 spectra towards W49N show strikingly similar and non-saturated absorption features. We decompose the absorption of the foreground material towards W49N into different velocity components in order to investigate whether the relative abundances vary among the velocity components, and, in addition, we re-analyse the absorption lines towards G10.6-0.4 in the same manner. Abundances, with respect to molecular hydrogen, in each velocity component are estimated using CH. The analysis points to a co-existence of the nitrogen hydrides in diffuse or translucent interstellar gas with a high molecular fraction. Towards both sources, we find that NH is always at least as abundant as both o-NH2 and o-NH3, in sharp contrast to previous results for dark clouds. We find relatively constant N(NH)/N(o-NH3) and N(o-NH2)/N(o-NH3) ratios with mean values of 3.2 and 1.9 towards W49N, and 5.4 and 2.2 towards G10.6-0.4, respectively. The mean abundance of o-NH3 is ~2x10^-9 towards both sources. The nitrogen hydrides also show linear correlations with CN and HNC towards both sources, and looser correlations with CH. The upper limits on the NH+ abundance indicate column densities < 2 - 14 % of N(NH). Surprisingly low values of the ammonia ortho-to-para ratio are found in both sources, ~0.5 - 0.7 +- 0.1. This result cannot be explained by current models as we had expected to find a value of unity or higher.

연구 동기 및 목표

• 희박하고 반투명한 간성 가스에서 질소 함유 종의 형성 경로를 조사하기 위해 질소 수소화합물을 관측한다.
• 고질량 성형 영역에서 여러 속도 성분을 통해 NH, o-NH₂, o-NH₃ 및 para-NH₃의 상대 농도를 규명한다.
• 암모니아의 오르토-파라 비율을 평가하고 이론적 기대치와 비교한다.
• CH, CN, HNC 및 HCO⁺와 같은 다른 간성 가스 분자와의 상관관계를 검토한다.
• NH⁺의 농도에 상한선을 설정하고 NH와의 상대 농도를 비교한다.

제안 방법

• 허셸/HIFI 기구를 사용하여 NH, o-NH₂, o-NH₃ 및 para-NH₃의 밀리미터파 회전 전이선을 분석한다.
• 다중 성분으로 분해된 흡수 프로파일을 속도 해상도로 분석하여 다양한 기체 상에서의 농도 변화를 분석한다.
• 태양계 근처에서 분자 수소와의 상관관계가 알려진 CH를 H₂의 추적자로 사용하여 농도 추정을 수행한다.
• Jₖ = 2₁–1₁ 및 Jₖ = 1₀–0₀ 전이선의 상대 강도로부터 암모니아의 오르토-파라 비율을 계산한다.
• 속도 공간에서 질소 수소화합물과 다른 분자(CH, CN, HNC, HCO⁺, H₂O) 간 상관관계를 통계적으로 분석한다.
• 관측된 스펙트럼 창에서 비검출된 결과를 바탕으로 NH⁺ 기울기 밀도에 대한 상한선을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 W49N과 G10.6−0.4 방향의 희박하고 반투명 간성 가스에서 NH, o-NH₂ 및 o-NH₃의 상대 농도는 어떻게 되는가?
• RQ2 기본 물질의 다양한 속도 성분에서 질소 수소화합물의 농도는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 희박 기체에서 암모니아의 오르토-파라 비율은 얼마이며, 고온 평형 값인 1과의 차이가 있는가?
• RQ4 질소 수소화합물의 농도는 CH, CN, HNC 및 HCO⁺의 농도와 어떻게 상관되는가?
• RQ5 이 관측선에서 NH⁺의 상대 농도에 대한 상한선은 얼마인가?

주요 결과

• W49N과 G10.6−0.4 양쪽 모두에서 오르토-NH₃의 평균 농도는 H₂ 대비 약 2 × 10⁻⁹이다.
• W49N에서 N(NH)/N(o-NH₃) 비율은 3.2이며, G10.6−0.4에서는 5.4이다. 또한 o-NH₂/N(o-NH₃) 비율은 각각 1.9와 2.2이다.
• 강한 속도 성분에서 암모니아의 오르토-파라 비율은 약 0.5–0.7 ± 0.1로 측정되었으며, 이는 고온 평형 값인 1보다 현저히 낮다.
• 다양한 속도 성분 간 농도 비율에 유의미한 변화가 관측되지 않아, 희박 기체에서 일관된 화학 반응이 일어나고 있음을 시사한다.
• NH⁺ 농도에 대한 상한선는 N(NH⁺)/N(NH) 비율 ≤ 2–14%로, 평균은 ≤6% 이하이며, 이는 NH⁺이 NH보다 훨씬 적게 존재함을 시사한다.
• 질소 수소화합물과 CN 및 HNC 사이에 강한 선형 상관관계가 관측되었으며, CH와의 상관관계는 덜 명확하며, 모든 종류의 분자가 HCO⁺ 및 H₂O와 유사한 속도 프로파일을 보이며, 높은 분자 분율 기체의 공통 물리적 추적자임을 나타낸다.