[논문 리뷰] The IRAM-30m line survey of the Horsehead PDR: III. High abundance of complex (iso-)nitrile molecules in UV-illuminated gas

P. Gratier, J. Pety외 5명|2013. 05. 10.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 61인용 수 37

한 줄 요약

이 연구는 IRAM-30m를 이용한 말굽형 PDR 관측을 통해 밀리미터 파장에서 우주간 매질에서 메틸 이소시아나이드(CH₃NC)의 첫 번째 명확한 검출을 보고한다. 이는 자외선에 의해 조사되는 PDR에서 CH₃CN의 농도가 차폐된 밀도 높은 핵보다 30배 높다는 것을 밝혀내며, 광분해의 우려에도 불구하고 이를 설명하는 데는 자외선 노출 또는 충격 유도 스터터링에 의해 얼음 표면막에서 복잡한 시아노기드로겐이 탈착되기 때문임을 밝힌다.

ABSTRACT

Complex (iso-)nitrile molecules, such as CH3CN and HC3N, are relatively easily detected in our Galaxy and in other galaxies. We constrain their chemistry through observations of two positions in the Horsehead edge: the photo-dissociation region (PDR) and the dense, cold, and UV-shielded core just behind it. We systematically searched for lines of CH3CN, HC3N, C3N, and some of their isomers in our sensitive unbiased line survey at 3, 2, and 1mm. We derived column densities and abundances through Bayesian analysis using a large velocity gradient radiative transfer model. We report the first clear detection of CH3NC at millimeter wavelength. We detected 17 lines of CH3CN at the PDR and 6 at the dense core position, and we resolved its hyperfine structure for 3 lines. We detected 4 lines of HC3N, and C3N is clearly detected at the PDR position. We computed new electron collisional rate coefficients for CH3CN, and we found that including electron excitation reduces the derived column density by 40% at the PDR position. While CH3CN is 30 times more abundant in the PDR than in the dense core, HC3N has similar abundance at both positions. The isomeric ratio CH3NC/CH3CN is 0.15+-0.02. In the case of CH3CN, pure gas phase chemistry cannot reproduce the amount of CH3CN observed in the UV-illuminated gas. We propose that CH3CN gas phase abundance is enhanced when ice mantles of grains are destroyed through photo-desorption or thermal-evaporation in PDRs, and through sputtering in shocks. (abridged)

연구 동기 및 목표

• 말굽형 PDR의 자외선에 의해 조사되는 영역과 차폐된 영역에서 복잡한 (이소-)시아노기드로겐 분자의 화학을 조사하기 위해.
• PDR와 밀도 높은 핵이라는 두 가지 서로 다른 환경에서 CH₃CN, HC₃N, C₃N 및 이들의 이성질체의 농도와 진동 조건을 규명하기 위해.
• CH₃CN의 진동 조건을 고려할 때 전자 충돌의 역할을 평가하고, 비-LTE 조건에서 농도 결정에 영향을 미치는 요소를 보정하기 위해.
• CH₣NC/CH₃CN 및 HC₂NC/HC₃N 등의 이성질체 비율을 평가하여 은하간 환경에서의 생성 경로와 화학적 평형 상태를 탐구하기 위해.

제안 방법

• IRAM-30m 망원경을 이용해 3, 2, 1 mm 파장에서 두 위치(기준 PDR 및 밀도 높은 핵)에 대해 무편향적이고 민감한 선 스퍼브를 수행하였다.
• 대규모 속도 기울기(LVG) 복사 전달 모델을 사용한 베이지안 분석을 통해 총 농도와 농도를 유도하였다.
• 신호 대 잡음 비율이 낮은 조건에서의 검출을 가능하게 하기 위해 C₃N의 다수의 약한 선을 통합하였다.
• 비- LTE 조건에서 전자 진동 조건의 영향을 반영하기 위해 CH₃CN에 대한 새로운 전자 충돌률 계수를 계산하였다.
• CH₃CN 선의 초미세구조를 해소하여 선 식별 및 농도 제약 조건을 향상시켰다.
• 관측된 이성질체 비율(예: CH₃NC/CH₃CN)을 이론적 예측과 비교하여 화학적 경로를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CH₃CN은 자외선에 의해 조사되는 PDR에서 자외선으로부터 보호된 밀도 높은 핵보다 높은 농도를 보이며, 광분해 위험에도 불구하고 이는 왜 그런가?
• RQ2 CH₃NC의 첫 번째 은하간 검출은 무엇이며, 이의 CH₃CN에 대한 농도 비율은 이론적 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 HC₃N은 왜 밀도 높은 핵에서 PDR보다 더 높은 농도를 보이며, 이는 그 생성 및 파괴 메커니즘에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 전자 충돌은 저밀도 PDR 기체에서 CH₃CN의 진동 조건과 유도된 총 농도에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 HC₂NC의 검출 불가능성의 의미는 무엇이며, 그 상한선은 다른 천체에서 알려진 값과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• PDR 위치에서 밀리미터 파장에서 우주간 매질에서 CH₃NC의 첫 번째 명확한 검출이 이루어졌으며, 유도된 농도 비율은 CH₃NC/CH₃CN = 0.15 ± 0.02였다.
• CH₃CN은 PDR에서 (2.5 × 10⁻¹⁰) 밀도 높은 핵에서 (8 × 10⁻¹²)보다 30배 더 높은 농도를 보였으며, 이는 PDR에서 광분해율이 더 높음에도 불구하고 그러한 결과를 낳았다.
• 전자 충돌 진동 조건을 포함함으로써 PDR에서 유도된 CH₃CN 총 농도가 40% 감소하였다. 이는 전자 밀도가 1–5 cm⁻³이기 때문이다.
• HC₃N의 농도는 PDR과 밀도 높은 핵에서 유사하게 유지되었으며(8 × 10⁻¹²), 하지만 더 높은 진동 조건으로 인해 밀도 높은 핵에서 선이 더 강했다.
• HC₂NC의 선은 검출되지 않았으며, 그 농도 비율은 TMC-1과 CRL618에서 관측된 값 이하로 제약되었다.
• 관측된 CH₃NC/CH₃CN 비율 0.15는 Defrees 등(1985)이 예측한 이론적 범위(0.1–0.4) 내에 들어 있으며, 이는 탈구성 재결합 동안 이성질화 평형이 유지된다는 것을 지지한다.