[논문 리뷰] Spatial mapping of ices in the Oph-F core: A direct measurement of CO depletion and the formation of CO2

K. M. Pontoppidan|ArXiv.org|2006. 05. 22.

Astrophysics and Star Formation Studies인용 수 61

한 줄 요약

이 연구는 VLT-ISAAC, Spitzer-IRS 및 ISOCAM-CVF를 이용한 중적외선 스펙트로스코피를 통해 Oph-F 전성운핵에서 처음으로 CO 및 CO2 얼음의 공간 맵을 제시한다. 이는 직접적으로 CO 빙결 프로파일을 측정하고, CO 얼음 표면 반응을 통한 CO2 형성을 밝혀내며, CO-CO 결합 에너지를 814 ± 30 K로 산정함으로써 밀도 높은 분자운의 얼음 화학에 핵심적인 제약 조건을 제공한다.

ABSTRACT

Aims: Ices in dense star-forming cores contain the bulk of volatile molecules apart from H2 and thus represent a large fraction of dark cloud chemistry budget.To directly constrain the freeze-out profile of CO, the formation route of CO2 and the carrier of the 6.8 micron band, the spatial distribution of the CO/CO2 ice system and the 6.8 micron band carrier are measured in a nearby dense core. Methods: VLT-ISAAC, ISOCAM-CVF and Spitzer-IRS archival mid-infrared (3-20 micron) spectroscopy of young stellar objects is used to construct a map of the abundances of CO and CO2 ices in the Oph-F star-forming core, probing core radii from 2 10^3 to 14 10^3 AU or densities from 5 10^4 to 5 10^5 cm^-3 with a resolution of ~ 3000 AU. Results: The line-of-sight averaged abundances relative to water ice of both CO and CO2 ices increase monotonously with decreasing distance to the core center. The map traces the shape of the CO abundance profile between freeze-out ratios of 5-60% and shows that the CO2 ice abundance increases by a factor of 2 as the CO freezes out. It is suggested that this indicates a formation route of CO2 on a CO ice surface to produce a CO2 component dilute in CO ice, in addition to a fraction of the CO2 formed at lower densities along with the water ice mantle. It is predicted that the CO2 bending mode band profile should reflect a high CO:CO2 number ratio in the densest parts of dark clouds. In contrast to CO and CO2, the abundance of the carrier of the 6.8 micron band remains relatively constant throughout the core. A simple freeze-out model of the CO abundance profile is used to estimate the binding energy of CO on a CO ice surface to 814+/-30 K.

연구 동기 및 목표

• 밀도 높은 별 형성 핵에서 CO 및 CO2 얼음의 공간 분포를 직접 측정하여 빙결 과정을 제약 조건화하기 위해.
• CO 얼음 막대에 대한 상대 농도를 분석하여 얼음 입자 표면에서 CO2 형성 경로를 조사하기 위해.
• 관측된 얼음 농도 프로파일을 이용해 CO 얼음 표면에서의 CO 결합 에너지를 결정하기 위해.
• 빙결 농도 변화에 비해 일정한 6.8 µm 밴드 운반체의 공간 변화를 평가하기 위해.
• 고해상도 공간 맵핑을 통해 관측된 얼음 농도를 이용해 이론적 빙결 모델의 타당성을 검증하기 위해.

제안 방법

• VLT-ISAAC(3–20 µm), Spitzer-IRS 및 ISOCAM-CVF를 이용한 복합 중적외선 스펙트로스코피를 통해 CO, CO2 및 H2O 얼음 특징을 탐지하였다.
• Oph-F 핵 내의 다섯 개의 임베디드된 젊은 항성 물체를 향한 선로를 사용하여, 2,000에서 14,000 AU의 투영 반경에 걸쳐 얼음 농도를 맵핑하였다.
• CO 및 CO2 얼음 밴드의 흠새 깊이 측정을 이용해 물 얼음에 대한 상대 농도를 계산하였다.
• 정적 핵 조건과 평형 빙결을 가정하여 관측된 CO 농도 프로파일에 간단한 열탈착 모델을 적용하였다.
• 얼음 막대 성장의 속도 방정식을 해결: dnice/dt = R_ads - R_des, 여기서 R_des = ν₀ exp(−dH/kT) × nice × β.
• 관측된 CO 농도 프로파일에 모델을 피팅하여, 보너-에버트 밀도 프로파일과 15 K 온도를 사용해 CO-CO 결합 에너지 dH를 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Oph-F 전성운핵의 중심으로부터의 거리에 따라 CO 얼음의 농도는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 밀도 높은 핵 환경에서 CO 얼음 빙결과 CO2 얼음 형성 간의 공간적 관계는 어떠한가?
• RQ3 관측된 빙결 프로파일에서 유추된 바에 따르면, CO 얼음 표면에서의 CO 결합 에너지는 얼마인가?
• RQ4 6.8 µm 밴드 운반체는 공간적으로 변화가 있는가? 이는 CO 또는 CO2와 다른 형성 메커니즘 또는 운반체를 시사하는가?
• RQ5 핵 중심 쪽으로 갈수록 관측된 CO2 농도 증가를 CO 얼음 표면 반응으로 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 물 얼음에 대한 CO 얼음 농도는 핵 중심 쪽으로 갈수록 약 5%에서 약 60%로 단조적으로 증가하며, 밀도 증가에 따라 진행되는 빙결을 시사한다.
• CO2 얼음 농도는 핵의 외곽에서 내곽으로 갈수록 두 배로 증가하여, 입자 표면에서 CO 얼음으로부터의 형성을 시사한다.
• 관측된 CO2 증가와 CO 빙결 감소 간의 상관관계는 CO2가 CO 얼음 표면 반응을 통해 형성되며, CO 얼음에 희석된 CO2 성분을 만든다는 것을 지지한다.
• CO-CO 결합 에너지는 814 ± 30 K로 측정되었으며, 실험실 측정 결과와 일치하며, 입자 표면 화학에 핵심적인 제약 조건을 제공한다.
• 6.8 µm 밴드 운반체 농도는 핵 전역에서 상대적으로 일정하게 유지되며, 이는 주로 CO 또는 CO2 얼음과 관련이 없음을 시사하며, 다른 운반체 또는 형성 메커니즘이 있을 가능성이 있다.
• 모델은 어두운 구름의 가장 밀도 높은 부분에서 고 CO:CO2 비율을 반영한 CO2 비틀림 모드 밴드 프로파일을 예측한다. 이는 고해상도 스펙트로스코피로 검증될 수 있다.