[论文解读] ISO-SWS observations of interstellar solid 13CO2: heated ice and the Galactic 12C/13C abundance ratio

A. C. A. Boogert, P. Ehrenfreund+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 1999

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 7

一句话总结

本研究利用ISO-SWS红外光谱法分析了13条银河系内星际视线中的固态13CO2冰，通过4.382 µm处的窄亚结构揭示了大质量原恒星环境中的热处理效应。研究首次基于固态数据确定了银河系12C/13C比值（69±15），与气相测量结果一致，提示星际CO2可能存在化学起源上的差异。

ABSTRACT

We present observations of the stretching mode of 13CO2 ice along 13 lines of sight in the Galaxy, using the Short Wavelength Spectrometer on board of the Infrared Space Observatory. Remarkable variations are seen in the absorption band profile in the different lines of sight. The main feature is attributed to 13CO2 mixed with polar molecules such as H2O, and CH3OH. Several high-mass protostars show an additional narrow substructure at 4.382 um, which we attribute to a polar CO2 ice, that experienced heating. This heating effect is sustained by a good correlation of the strength of the substructure with dust and CO gas temperatures along the line of sight, and anti-correlation with ice abundances. Thus, our main conclusion is that interstellar CO2 ices around luminous protostars are subjected to, and altered by, thermal processing and that it may reflect the evolutionary stage of the nearby protostar. In contrast, the ices around low mass protostars and in a quiescent cloud in our sample do not show signs of thermal processing. Furthermore, we determine for the first time the Galactic 12C/13C ratio from the solid state. The 12CO2/13CO2 ratio for the local ISM (69+/-15), as well as the dependence on Galacto-centric radius, are in good agreement with gas phase (C18O, H2CO) studies. For the few individual objects for which gas phase values are available, the 12C/13C ratios derived from CO2 tend to be higher compared to CO studies (albeit with 2.5 sigma significance only). We discuss the implications of this possible difference for the chemical origin of interstellar CO2.

研究动机与目标

• 研究不同恒星形成环境中星际CO2冰的物理与化学处理过程。
• 利用固态CO2冰吸收特征测定银河系12C/13C丰度比。
• 评估热处理在改变原恒星周围冰成分中的作用。
• 将固态12C/13C比值与气相测量结果（如C18O和H2CO）进行比较，评估其化学意义。

提出的方法

• 利用红外空间望远镜（ISO）上的短波长光谱仪（SWS）观测13CO2冰的拉伸振动吸收带。
• 分析13条视线中不同星际源（包括大质量与小质量原恒星及宁静云团）的吸收带轮廓。
• 在大质量原恒星视线中识别出4.382 µm处的窄亚结构，解释为热处理后的极性CO2冰相。
• 将亚结构强度与尘埃及CO气体温度相关联，并与冰丰度呈负相关，以推断热处理效应。
• 基于已知的同位素丰度分布，从13CO2带深推导12CO2/13CO2比值。
• 将推导出的固态12C/13C比值与C18O和H2CO观测所得的气相值进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 热处理是否改变了原恒星环境中星际CO2冰的结构与光谱特征？
• RQ2 基于固态CO2冰观测，银河系12C/13C丰度比是多少？
• RQ3 固态12C/13C比值与C18O和H2CO等气相分子推导的比值相比如何？
• RQ4 4.382 µm亚结构的强度是否与视线方向上尘埃和CO气体温度相关？
• RQ5 固态与气相12C/13C比值之间的差异对星际CO2的化学起源有何启示？

主要发现

• 仅在大质量原恒星视线中检测到13CO2冰吸收带中4.382 µm处的窄亚结构，表明极性CO2冰经历了热处理。
• 4.382 µm亚结构强度与尘埃及CO气体温度正相关，与冰丰度负相关，支持其源于热处理。
• 基于固态CO2冰推导的银河系12C/13C比值为69±15，与使用C18O和H2CO的气相研究结果一致。
• 对于拥有气相数据的个别源，固态12C/13C比值高出约2.5 sigma，提示CO2形成路径可能存在化学差异。
• 在小质量原恒星或宁静云团周围的冰中未观测到热处理迹象，表明加热效应特异于高光度原恒星环境。
• 结果表明，大质量原恒星环境中的CO2冰经历了热处理，反映了中心天体的演化阶段。