[논문 리뷰] Probing the initial conditions of High Mass Star formation -- I. Deuteration and depletion in high mass pre/protocluster clumps

T. Pillai, F. Wyrowski외 3명|University of Hertfordshire Research Archive (University of Hertfordshire)|2007. 02. 20.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 46인용 수 48

한 줄 요약

이 연구는 초질량 성간 클러스터 주변의 초소형 H II 영역 근처의 전/형성 클러스터 클럽에서 중수화 및 분자 빈도 감소를 분석함으로써 초질량 별 형성의 初기 조건을 조사한다. 암모니아 및 중수화 암모니아 선을 사용하여 65%의 소스에서 NH₂D 강한 방출이 관측되었고, 중수화 수준은 최대 0.7에 이르며 냉각되고 밀도가 높은 환경을 나타낸다. CO 빈도 감소는 50%의 소스에서 관측되어 초기 단계의 거대 핵 진화를 시사한다.

ABSTRACT

UltraCompact HII regions are signposts of high mass star formation. Since high-mass star formation occurs in clusters, one expects to find even earlier phases of massive star formation in the vicinity of UltraCompact HII regions. Here, we study the amount of deuteration and depletion toward pre/protocluster clumps found in a wide-field (10 X 10 arcmin) census of clouds in 32 massive star-forming regions that are known to harbour UCHII regions. We find that 65% of the observed sources have strong NH2D emission and more than 50% of the sources exhibit a high degree of deuteration, (0.1 < NH2D/NH3 < 0.7), 0.7 being the highest observed deuteration of NH3 reported to date. Our search for NHD2 in two sources did not result in a detection. The enhancement in deuteration coincides with moderate CO depletion onto dust grains. There is no evidence of a correlation between the two processes, though an underlying correlation cannot be ruled out as the depletion factor is very likely to be only a lower limit. In summary, we find CO depletion and high deuteration towards cold cores in massive star forming regions. Therefore, these are good candidates for sources at the early phases of massive star formation. While our sensitive upper limits on NHD2 do not prove the predictions of the gas-phase and grain chemistry models wrong, an enhancement of ~10^4 over the cosmic D/H ratio from NH2D warrants explanation.

연구 동기 및 목표

• 전/형성 클러스터 클럽에서 분자 트레이서를 사용하여 초질량 별 형성의 초기 물리적 및 화학적 조건을 탐색한다.
• 냉각되고 밀도가 높은 핵에서 중수화의 역할을 냉각 온도와 초기 진화 단계의 지표로 삼아 조사한다.
• 특히 CO의 분자 빈도 감소를 먼지 표면 화학과 핵 진화의 지표로 평가한다.
• 높은 중수화와 빈도 감소가 상관관계를 보이는지 확인하여 초기 거대 핵 형성에서 공통된 물리적 기원을 확인한다.
• 관측된 이sov형 농도 비율을 사용하여 기체상 및 먼지 표면 화학 모델의 예측을 검증한다.

제안 방법

• NH₃의 (J,K) = (1,1) 및 (2,2) 진동 전이 측정을 통해 흥(excitation) 온도와 기체 운동 온도 유도.
• NH₃ (1,1) 선의 초미세구조 분할 비율을 사용하여 광학 두께 추정 및 흥 조건 제약.
• 복사전달 방정식과 분할 함수를 사용하여 NH₃, NH₂D, CO, H¹³CN, HC¹⁵N의 통합 밀도 계산.
• 국소 열역학적 평형(LTE)을 가정하여 수준 분포에 대해 표준 NH₃ 회전 온도 방법 적용.
• 선이 없는 채널의 통합 강도와 노이즈 수준을 사용하여 NHD₂의 상한 추정.
• JPL 및 CDMS 카탈로그를 사용하여 15 K에서의 분할 함수와 전기기립모멘트를 확보하고 통합 밀도 계산에 활용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초질량 전/형성 클러스터 클럽에서의 중수화 수준은 어떠한가? 이는 냉각되고 안정된 조건을 나타내는가?
• RQ2 이 클럽에서 CO 빈도 감소는 어느 정도이며, 중수화와의 상관관계는 어떠한가?
• RQ3 관측된 H¹³CN/HC¹⁵N 농도 비율은 국지 은하간 매질과 비교해 비정상적인가?
• RQ4 관측된 NHD₂ 상한은 현재 기체상 및 먼지 표면 화학 모델과 모순되는가?
• RQ5 중수화와 빈도 감소를 함께 고려하면 초기 단계의 거대 별 형성 단계를 식별할 수 있는가?

주요 결과

• 관측된 소스 중 65%에서 강한 NH₂D 방출이 관측되었으며, 중수화 비율(NH₂D/NH₃)은 0.1에서 0.7 사이로 변동하며, 최대값 0.7을 기록하여 이는 이전에 보고된 바 중 가장 높은 수준이다.
• 50% 이상의 소스에서 CO 빈도 감소가 뚜렷하게 관측되어 먼지 입자 표면에 분자 기체가 상당히 침착되어 있음을 시사한다.
• 중수화와 CO 빈도 감소 사이에 유의미한 상관관계는 발견되지 않았지만, 빈도 감소 요인이 하한선일 가능성이 있어 숨겨진 상관관계가 존재할 여지가 있다.
• H¹³CN/HC¹⁵N 농도 비율은 비정상적으로 높게 관측되어 국지 은하간 매질과 비교해 탄소 및 질소의 이sov형 이상 현상이 있을 가능성을 시사한다.
• 두 소스에서 NHD₂는 검출되지 않았으며, 민감도가 높은 상한선을 확보했지만, 이는 우주 D/H 비율 대비 약 10⁴ 배의 중수화 증가를 이론적으로 예측하는 데 도전하지는 않는다.
• 높은 중수화와 CO 빈도 감소의 조합은 이러한 클럽이 초기 단계의 거대 별 형성에서 냉각되고 밀도가 높은 전/형성 클러스터 핵임을 지지한다.