[论文解读] A line confusion limited millimeter survey of Orion KL. II: Silicon-bearing species

B. Tercero, L. Vincent+3 more|UCL Discovery (University College London)|Dec 9, 2010

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 93被引用 50

一句话总结

本研究利用IRAM 30米望远镜对猎户座KL中的含硅分子进行了高分辨率毫米波巡天，检测到SiO和SiS在多种同位素体和振动态中的发射。研究揭示了SiO（J=2-1和J=4-3）存在强烈的 maser 辐射，识别出与出流-云团相互作用相关的15.5 km/s处SiS的显著发射特征，并通过化学模型表明SiS可能通过硅原子与硫原子在尘埃表面的反应形成，而SiO则可在气相或尘埃表面生成。

ABSTRACT

We present a study of the Silicon-bearing species detected in a line confusion limited survey towards Orion KL performed with the IRAM 30-m telescope, which ranges from 80 to 280 GHz. Our aim is to derive physical and chemical conditions for each family taking into account all observed lines from all isotopologues of each species. We have modeled the lines of the detected molecules using a radiative transfer code, which permit us to choose between LVG and LTE approximations depending on the physical conditions of the gas. We have used appropriate collisional rates for the LVG calculations. For the v=1 state of SiO we have detected the J=2-1 line and, for the first time in this source, emission in the J=4-3 transition, both of them showing strong masering effect. For SiO v=0, we have detected 28SiO, 29SiO, and 30SiO; in addition, we have mapped the J = 5-4 SiO line. For SiS, we have detected the main species, 29SiS, and SiS v=1. Unlikely other species detected in Orion KL (IRc2), the emission peak of SiS appears at a velocity of ~15.5 km s-1; a study of the 5-4 SiO line around IRc2 shows this feature as an extended component that probably arises from the interaction of the outflow with the ambient cloud. We derive a SiO/SiS column density ratio of ~13 in the plateau component. Besides, we provide upper limits to the column density of several non-detected Silicon-bearing species. The results of our chemical models show that while it is possible to reproduce SiO in the gas phase (as well as on the grains), SiS is a product of surface reactions, most likely involving direct reactions of S with Si.

研究动机与目标

• 利用线重叠限制的毫米波巡天分析猎户座KL中的含硅物种，以推导其物理与化学条件。
• 测定SiO和SiS在多个跃迁和同位素体中的柱密度、同位素丰度及振动态温度。
• 通过辐射转移和化学模型研究SiO和SiS发射的起源，特别是扩展的15.5 km/s特征。
• 评估尘埃表面反应在SiS形成中的作用与SiO气相生成的对比。
• 为未检测到的含硅物种（如SiC、SiC₂和SiCN）提供上限值。

提出的方法

• 利用IRAM 30米望远镜在80–280 GHz波段对猎户座KL进行线巡天，受限于线重叠而非灵敏度。
• 使用辐射转移代码建模观测谱线，根据气体条件在大速度梯度（LVG）和局部热动平衡（LTE）近似之间进行选择。
• 在辐射转移计算中采用更新的SiO-p-H₂和SiS-o-H₂碰撞速率，以推导源平均柱密度。
• 对J=5–4 SiO谱线进行映射，研究15.5 km/s特征的空间起源，并与位置偏移处的发射进行比较。
• 运行一组气体-尘埃化学模型，测试SiO和SiS的形成路径，改变尘埃表面硫的反应活性。
• 从谱线轮廓中计算柱密度比和振动态温度，考虑多个光谱组分（热核心、平台区、高速区等）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在发射SiO和SiS的不同组分中，猎户座KL的物理条件（气体动能温度、密度、速度弥散度）如何？
• RQ2 为何SiS发射在15.5 km/s处最强？该特征的空间与动力学起源是什么？
• RQ3 SiO和SiS的柱密度及同位素丰度如何比较？它们揭示了哪些元素比例与化学信息？
• RQ4 观测到的SiO和SiS丰度能否通过气相或尘埃表面化学路径再现？
• RQ5 未检测到的含硅物种（如SiC、SiCN和SiNC）的上限值是多少？

主要发现

• 首次在猎户座KL中检测到SiO（v=1）的J=4–3跃迁，其表现出强烈的maser发射，与J=2–1线并存。
• 识别出与BN天体空间关联的SiS 15.5 km/s发射特征，可能源于出流-云团相互作用，其参数为T_K = 200 K，n(H₂) = 5 × 10⁶ cm⁻³，v_half = 7.5 km/s。
• 在平台区组分中，SiO/SiS柱密度比约为13，显著低于宇宙中O/S比值约48，表明SiS的丰度低于预期。
• 15.5 km/s特征中SiS（v=1）的振动态温度约为500 K，高于动能温度，提示存在红外泵浦或在基态线中不可见的温暖组分。
• 化学模型表明，SiO可通过气相或尘埃表面路径再现，但SiS的形成需要Si与S在表面的反应，且仅有5–10%的尘埃结合S能有效反应以匹配观测结果。
• 未检测到物种的上限值为：SiC（1.3 × 10¹⁴ cm⁻²）、SiC₂（3.5 × 10¹³ cm⁻²）、c-SiC₃（1.3 × 10¹³ cm⁻²）、SiC₄（3.5 × 10¹² cm⁻²）、SiN（6.1 × 10¹³ cm⁻²）、SiCN（3.1 × 10¹³ cm⁻²）和SiNC（3.1 × 10¹³ cm⁻²）。