[论文解读] Probing the initial conditions of High Mass Star formation -- I. Deuteration and depletion in high mass pre/protocluster clumps

T. Pillai, F. Wyrowski+3 more|University of Hertfordshire Research Archive (University of Hertfordshire)|Feb 20, 2007

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 46被引用 48

一句话总结

本研究通过分析靠近超紧凑H ii区的高质星星前/原星团团块中的氘化和分子耗竭，探究大质量恒星形成的初始条件。利用氨和氘代氨谱线，发现65%的源表现出强烈的NH₂D发射，氘化水平高达0.7，表明其处于寒冷、致密的环境；50%的源观测到CO耗竭，表明处于大质量核心演化的早期阶段。

ABSTRACT

UltraCompact HII regions are signposts of high mass star formation. Since high-mass star formation occurs in clusters, one expects to find even earlier phases of massive star formation in the vicinity of UltraCompact HII regions. Here, we study the amount of deuteration and depletion toward pre/protocluster clumps found in a wide-field (10 X 10 arcmin) census of clouds in 32 massive star-forming regions that are known to harbour UCHII regions. We find that 65% of the observed sources have strong NH2D emission and more than 50% of the sources exhibit a high degree of deuteration, (0.1 < NH2D/NH3 < 0.7), 0.7 being the highest observed deuteration of NH3 reported to date. Our search for NHD2 in two sources did not result in a detection. The enhancement in deuteration coincides with moderate CO depletion onto dust grains. There is no evidence of a correlation between the two processes, though an underlying correlation cannot be ruled out as the depletion factor is very likely to be only a lower limit. In summary, we find CO depletion and high deuteration towards cold cores in massive star forming regions. Therefore, these are good candidates for sources at the early phases of massive star formation. While our sensitive upper limits on NHD2 do not prove the predictions of the gas-phase and grain chemistry models wrong, an enhancement of ~10^4 over the cosmic D/H ratio from NH2D warrants explanation.

研究动机与目标

• 利用星前/原星团团块中的分子示踪剂，探测大质量恒星形成的初始物理与化学条件。
• 研究氘化在寒冷、致密核心中的作用，作为低温和早期演化阶段的诊断工具。
• 评估分子耗竭（尤其是CO）作为表面尘埃化学与核心演化示踪剂的作用。
• 确定高氘化与耗竭是否相关，以判断其在大质量核心形成早期阶段是否存在共同的物理起源。
• 利用观测到的同位素丰度比值检验气相与表面化学模型的预测。

提出的方法

• 测量NH₃的(J,K) = (1,1)和(2,2)反转跃迁，以推导激发温度和气体动能温度。
• 利用NH₃ (1,1)线的超精细分裂比估算光学厚度，并约束激发条件。
• 使用辐射转移方程和配分函数，计算NH₃、NH₂D、CO、H¹³CN和HC¹⁵N的柱密度。
• 采用标准NH₃转动温度方法，假设能级布居处于局部热动平衡（LTE）状态。
• 基于线空白通道的积分强度和噪声水平，估算NHD₂的上限。
• 使用JPL和CDMS目录确定15 K时的配分函数和偶极矩，用于柱密度计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 高质星星前/原星团团块中的氘化程度如何？是否表明存在寒冷、静止的环境？
• RQ2 这些团块中CO的耗竭程度如何？其与氘化的相关性如何？
• RQ3 观测到的H¹³CN/HC¹⁵N丰度比是否与本地星际介质相比异常？
• RQ4 观测到的NHD₂上限是否与当前气相和表面化学模型相矛盾？
• RQ5 氘化与耗竭是否能共同识别大质量恒星形成的最早阶段？

主要发现

• 65%的观测源表现出强烈的NH₂D发射，氘化比值（NH₂D/NH₃）在0.1至0.7之间，最高值达0.7——为迄今报道的最高值之一。
• 超过50%的源显示出显著的CO耗竭，表明大量分子气体已耗竭至尘埃颗粒表面。
• 氘化与CO耗竭之间未发现显著相关性，但耗竭因子可能为下限，因此仍存在潜在隐藏相关性的空间。
• H¹³CN/HC¹⁵N丰度比异常偏高，提示碳和氮的同位素组成可能与本地星际介质存在异常。
• 在两个源中未检测到NHD₂，得到的敏感上限并未排除理论预测的氘化增强约10⁴倍于宇宙D/H水平的可能性。
• 高氘化与CO耗竭的结合支持这些团块为处于大质量恒星形成最早阶段的寒冷、致密星前/原星团核心。