[논문 리뷰] Sulfur depletion in dense clouds and circumstellar regions I. H2S ice abundance and UV-photochemical reactions in the H2O-matrix

A. Jiménez-Escobar, G. M. Muñoz|arXiv (Cornell University)|2011. 12. 14.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 29인용 수 56

한 줄 요약

이 연구는 초고진공 조건에서 H2O 얼음 매트릭스에 혼합된 H2S 얼음을 자외선 조사하는 실험을 통해 밀도 높은 간성운과 원형성성 주변에서 황의 부족 현상을 규명한다. 현장 중간적외선 분광법과 온도 프로그램 탈착을 통해 H2S:H2O 얼음의 광화학 처리가 고경도 황 폴리머(S2–S8)를 생성하며, 이는 부족한 황의 원인일 가능성이 높으며, 태양형 연성성성에서 H2S 얼음 농도는 H2O에 비해 <0.7% 이하로 제한된다.

ABSTRACT

This work aims to study the unexplained sulfur depletion observed toward dense clouds and protostars. We made simulation experiments of the UV-photoprocessing and sublimation of H2S and H2S:H2O ice in dense clouds and circumstellar regions, using the Interstellar Astrochemistry Chamber (ISAC), a state-of-the-art ultra-high-vacuum setup. The ice was monitored in situ by mid-infrared spectroscopy in transmittance. Temperature-programmed desorption (TPD) of the ice was performed using a quadrupole mass spectrometer (QMS) to detect the volatiles desorbing from the ice. Comparing our laboratory data to infrared observations of protostars we obtained a more accurate upper limit of the abundance of H2S ice toward these objects. We determined the desorption temperature of H2S ice, which depends on the initial H2S:H2O ratio. UV-photoprocessing of H2S:H2O ice led to the formation of several species. Among them, H2S2 was found to photodissociate forming S2 and, by elongation, other species up to S8, which are refractory at room temperature. A large fraction of the missing sulfur in dense clouds and circumstellar regions could thus be polymeric sulfur residing in dust grains.

연구 동기 및 목표

• 밀도 높은 간성운과 원형성성 영역에서 우주 농도에 비해 기체상에서 황이 부족한 현상이라는 오랫동안 해결되지 않은 수수께끼를 해결하기 위해.
• H2O 얼음 매트릭스 내에서 H2S의 자외선 광화학 처리를 통해 얼음 입자 막대가 황을 어떻게 고착시키는지 조사하기 위해.
• 우주 조건 하에서 H2S 및 그 광분해 생성물의 탈착 거동과 적외선 스펙트럼 특성을 규명하기 위해.
• 특히 연성성성 방향에서 H2S 얼음 및 그 광분해 생성물의 천체 관측 가능성 평가하기 위해.
• S2–S8와 같은 고경도 황 화합물의 형성 경로 탐색하기 위해.

제안 방법

• 밀도 높은 구름와 원형성성 얼음 조건을 모의하기 위해 초고진공 장치인 간성우주화학실(Interstellar Astrochemistry Chamber, ISAC)을 사용한 실험 시뮬레이션을 수행하였다.
• 순수 H2S에서 H2O에 대한 H2S 비율이 2%에 이르는 다양한 비율로 조절된 H2S:H2O 얼음 혼합물을 제작하고, 진공 자외선(VUV) 방사선에 노출시켰다.
• 실시간으로 얼음 조성을 모니터링하기 위해 현장 중간적외선 투과 분광법을 사용하여 분자 특징과 광화학 반응을 추적하였다.
• 이온 질량 분석기(쿼드러플 질량 분석기, QMS)를 사용한 온도 프로그램 탈착(TPD)을 수행하여 탈착 온도와 난류 성분을 측정하였다.
• ISO-SWS 관측자료인 W33A와 IRAS18316-0602의 관측 결과와 실험실 적외선 스펙트럼을 비교하여 H2S 얼음 농도의 상한선을 유도하였다.
• 질량 분석법을 이용해 자외선 조사와 함께 H2S2, HS•, S2, 및 황 폴리머(S3–S8) 등의 광생성 메커니즘을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실험 시뮬레이션 스펙트럼을 기반으로 연성성성 환경에서 H2O 얼음에 비해 H2S 얼음의 상한선은 얼마인가요?
• RQ2 얼음 매트릭스 내 H2O 존재가 H2S의 탈착 온도 및 탈착 거동에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ3 H2S:H2O 얼음 혼합물에 자외선 조사가 가해질 경우 어떤 황 함유 광분해 생성물이 생성되나요?
• RQ4 이 실험에서 생성된 고경도 황 화합물(S2–S8 등)이 관측된 간성운에서의 황 부족 현상을 설명할 수 있나요?
• RQ5 H2S 얼음 처리의 광분해 생성물은 현재의 적외선 또는 향후 밀리미터파(ALMA) 관측으로 탐지 가능할 수 있나요?

주요 결과

• 순수 H2S 얼음의 탈착 온도는 약 82 K이며, H2O가 풍부한 매트릭스에서는 145 K와 163 K에 두 개의 피크로 공탈착되며, 이는 이전 연구와 일치한다.
• ISO 관측 결과와의 비교를 통해 W33A 방향에서 H2S 얼음 농도 상한선은 0.7%, IRAS18316-0602 방향에서는 0.13%로 도출되었다.
• H2S:H2O 얼음에 자외선 조사가 가해지면 H2S의 광해리와 함께 H2S2, HS•, S2가 생성되며, 이들이 더욱 고경도 S-폴리머(S3–S8)로 중합된다.
• S8는 낮은 초기 H2S 농도(약 H2O 대비 2%)에서도 가장 다량의 고경도 황 생성물이 되며, 중합 반응의 높은 효율성을 시사한다.
• SO2, HSO3−, HSO4−, H2SO4 등의 광분해 생성물은 100–200 K 사이에서 탈착되지만, 얼음 sublimation 이후 S-폴리머는 입자 막대에 그대로 잔류한다.
• H2S의 광화학 처리를 통한 S-폴리머 형성은 밀도 높은 구름와 원형성성 영역에서 부족한 황의 타당한 저장소를 제공하며, 관측된 황의 부족 현상을 설명할 수 있다.