[논문 리뷰] Probing non polar interstellar molecules through their protonated form: Detection of protonated cyanogen (NCCNH+)

M. Agúndez, J. Cernicharo외 20명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 23.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 44인용 수 88

한 줄 요약

이 연구는 천체망원경을 이용하여 우주 공간에서 프로톤화된 시아노겐(NCCNH+)의 최초 탐지 결과를 보고한다. TMC-1과 L483의 냉각된 어둠진 구름에서 J = 5−4 및 J = 10−9 전이를 관측하여, 비극성 시아노겐(NCCN)이 존재함을 확인하였다. 이는 영구 전기쌍극모멘트가 없어 기존 천체물리학적 관측법으로는 탐지되지 않는 NCCN를 그 프로톤화된 형태를 통해 간접적으로 탐지한 것으로, 유도된 NCCN 농도는 H₂ 대비 (1–10) × 10⁻⁸ 수준에 이른다.

ABSTRACT

Cyanogen (NCCN) is the simplest member of the series of dicyanopolyynes. It has been hypothesized that this family of molecules can be important constituents of interstellar and circumstellar media, although the lack of a permanent electric dipole moment prevents its detection through radioastronomical techniques. Here we present the first solid evidence of the presence of cyanogen in interstellar clouds through the detection of its protonated form toward the cold dark clouds TMC-1 and L483. Protonated cyanogen (NCCNH+) has been identified through the J=5-4 and J=10-9 rotational transitions using the 40m radiotelescope of Yebes and the IRAM 30m telescope. We derive beam averaged column densities for NCCNH+ of (8.6+/-4.4)e10 cm-2 in TMC-1 and (3.9+/-1.8)e10 cm-2 in L483, which translate to fairly low fractional abundances relative to H2, in the range (1-10)e-12. The chemistry of protonated molecules in dark clouds is discussed, and it is found that, in general terms, the abundance ratio between the protonated and non protonated forms of a molecule increases with increasing proton affinity. Our chemical model predicts an abundance ratio NCCNH+/NCCN of 1e-4, which implies that the abundance of cyanogen in dark clouds could be as high as (1-10)e-8 relative to H2, i.e., comparable to that of other abundant nitriles such as HCN, HNC, and HC3N.

연구 동기 및 목표

• 영구 전기쌍극모멘트가 없어 전통적인 천체물리학적 관측법으로는 탐지되지 않는 비극성 우주 분자(예: 시아노겐 NCCN)를 탐지하기 위해.
• 이러한 분자의 프로톤화된 형태가 냉각된 우주 환경에서 간접 추적자로 기능할 수 있는지를 시험하기 위해.
• 관측된 NCCNH+ 방출선과 화학 모델링을 이용해 어둠진 구름 내 시아노겐 농도를 제약하기 위해.
• 프로톤 친화도와 이온-분자 반응 네트워크가 냉각되고 밀도가 높은 어둠진 구름 내 프로톤화된 종의 화학을 지배하는 방식을 평가하기 위해.

제안 방법

• 40m Yebes 천체망원경과 IRAM 30m 천체망원경을 이용해 NCCNH+의 J = 5−4 (44.4 GHz) 및 J = 10−9 (88.8 GHz) 전이를 관측하였다.
• 약한 방출선을 탐지하기 위해 고해상도(50 kHz 및 6 kHz) 주파수 스위칭 모드로 스펙트럼 선 조사 실험을 수행하였다.
• 대기 모델과 기상 데이터를 기반으로 한 투과도 보정을 거쳐, 천체망원경 온도를 하늘 및 뜨거운 로드 측정을 통해 보정하였다.
• 빔 평균 농도를 계산하기 위해, 빔 효율과 메인 빔 복사 온도 변환을 고려한 통합 선 강도를 사용하였다.
• 어둠진 구름 조건에서 NCCNH+ 및 NCCN의 시간에 따른 농도를 시뮬레이션하기 위해 UMIST RATE12 네트워크를 이용한 화학 모델링을 수행하였다.
• 관측 데이터와 비교하기 위해 [NCCNH+]/[NCCN] 농도 비율을 계산하고, 실제 NCCN 농도를 유추하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비극성 우주 분자(예: 시아노겐 NCCN)의 프로톤화된 형태가 냉각된 어둠진 구름에서 탐지될 수 있는가?
• RQ2 NCCNH+의 탐지 결과를 바탕으로, 우주 환경 내 시아노겐(NCCN)의 유도된 농도는 어느 정도인가?
• RQ3 중성 분자 M의 프로톤 친화도가 냉각되고 밀도가 높은 우주적 어둠진 구름 내 [MH+]/[M] 농도 비율에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 현재의 화학 모델이 NCCNH+의 형성 및 파괴 경로를 얼마나 정확하게 예측하는가?
• RQ5 관측된 NCCNH+ 농도와 모델 예측 간의 괴리 현상을 설명할 수 있는, 누락된 형성 경로가 화학 네트워크에 존재하는가?

주요 결과

• TMC-1과 L483 방향에서 NCCNH+의 J = 5−4 및 J = 10−9 전이가 탐지되었으며, 빔 평균 농도는 각각 (8.6 ± 4.4) × 10¹⁰ cm⁻² 및 (3.9 ± 1.8) × 10¹⁰ cm⁻²였다.
• 관측된 NCCNH+ 농도는 H₂ 대비 (1–10) × 10⁻¹² 범위의 분수 농도를 나타낸다.
• 화학 모델링 결과, [NCCNH+]/[NCCN] 농도 비율은 약 10⁻⁴로 예측되었으며, 이는 NCCN가 H₂ 대비 (1–10) × 10⁻⁸ 수준으로 존재할 수 있음을 시사한다.
• 중성 분자 M의 프로톤 친화도가 높을수록 [MH+]/[M] 농도 비율이 증가하는 경향을 보이며, 이는 어둠진 구름 내 이온-분자 화학의 일반적 경향을 반영한다.
• 모델이 관측된 NCCNH+ 농도를 낮게 예측하고 있어, 형성 경로가 누락되었거나 NCCN를 포함한 반응의 속도 상수가 정확하지 않을 가능성이 제기된다.
• 높은 프로톤 친화도와 측정 가능한 전기쌍극모멘트를 지닌 HC₂S⁺는 향후 탐지에 매우 유망한 후보로 식별되었다.