[论文解读] Detection of C5N- and vibrationally excited C6H in IRC +10216

J. Cernicharo, M. Guélin+3 more|Oct 15, 2008

Atmospheric Ozone and Climate被引用 8

一句话总结

本论文首次利用IRAM 30米望远镜在IRC +10216的包层中探测到C5N−阴离子和振动激发态C6H。该识别基于四组谐波系列的转动跃迁，其中B1389被确定为C5N−，依据其转动常数及无精细结构；B1390、B1394和B1401三组则归属为C6H在最低弯曲模（ν11）下的2Δ和2Σ−电子态，由转动常数和半整数J值确认。

ABSTRACT

We report the detection in the envelope of the C-rich star IRC +10216 of four series of lines with harmonically related frequencies: B1389, B1390, B1394 and B1401. The four series must arise from linear molecules with mass and size close to those of C6H and C5N. Three of the series have half-integer rotational quantum numbers; we assign them to the 2Delta and 2Sigma vibronic states of C6H in its lowest (v_11) bending mode. The fourth series, B1389, has integer J with no evidence of fine or hyperfine structure; it has a rotational constant of 1388.860(2) MHz and a centrifugal distortion constant of 33(1) Hz; it is almost certainly the C5N- anion.

研究动机与目标

• 识别IRC +10216（一颗富含碳的渐近巨星支星，具有复杂包层）80–115 GHz频段中的未知分子谱线。
• 确定在光谱调查中观测到的四组谐波系列（具有整数或半整数J值）的分子载体。
• 在预测其在富含碳环境中的丰度和稳定性基础上，确认IRC +10216中C5N−阴离子和振动激发态C6H的存在。
• 排除具有相似分子量和尺寸的其他候选分子，特别是具有1Σ电子态和大偶极矩的分子。
• 通过从天文数据中推导出精确的转动参数，为C5N−提供实验室探测路径。

提出的方法

• 1995至2008年间，使用IRAM 30米望远镜对IRC +10216进行3毫米波段的谱线调查，覆盖80–115 GHz频段，每1 MHz通道的噪声为0.3–2 mK。
• 采用双SIS接收机，正交偏振，系统温度为100–130 K，通过行星和类星体进行指向与焦面校准。
• 利用ATM程序对大气效应进行修正，将原始天线温度（TA*）转换为校正后的强度。
• 通过匹配转动常数（B）和离心畸变常数（D）与C6H和C5N的已知分子参数，分析四组谐波系列（B1389、B1390、B1394、B1401）。
• 使用从头算计算和Renner-Teller效应理论，将半整数J跃迁分配给C6H在ν11弯曲模下的2Δ和2Σ−电子态。
• 在哈佛大学使用微波光谱仪开展C5N−的实验室搜索，利用推导出的转动常数（1388.860 MHz）指导频率搜索，并测试了多种放电电压和气体浓度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在IRC +10216中观测到的四组谐波系列（B1389、B1390、B1394、B1401）的分子载体是什么？
• RQ2 能否基于其转动谱和无精细结构，确凿地识别出IRC +10216中的C5N−阴离子？
• RQ3 具有半整数J值的三组谱线是否与C6H在2Δ和2Σ−电子态下的振动激发态一致，这是否由Renner-Teller效应导致？
• RQ4 为何尽管天文数据提供了精确的频率预测，C5N−在实验室实验中仍未被探测到？
• RQ5 IRC +10216外层包层中C5N与C5N−的丰度比是多少？与其他已知阴离子相比有何差异？

主要发现

• B1389系列的转动常数为1388.860(2) MHz，且无精细或超精细结构，以高置信度归属为C5N−阴离子。
• B1390、B1394和B1401三组系列均具有半整数J值，且转动常数与C6H接近，被归属为C6H在最低弯曲模（ν11）下的2Δ和2Σ−电子态。
• C5N−的转动常数（1388.860 MHz）与理论预测一致，可排除AlCCCN、AlNCCC、NaCCCN和NaNCCC等候选分子，其差异超过4%。
• 模型丰度计算显示，在外层包层（R = 3–5×10^16 cm）中C5N的丰度为C5N−的2–10倍，与C5N−观测到的低丰度一致。
• 尽管有精确的频率预测，实验室尝试探测C5N−均告失败，表明其形成需要高度特定的条件，与此前探测C4H−和C3N−所遇到的挑战类似。
• 在TMC-1中检测到CCH−的J=8–7跃迁处存在一个3σ特征，支持将IRC +10216中的U83278归属为CCH−，其CCH/CCH−丰度比约为12,500。