[论文解读] Spatial mapping of ices in the Oph-F core: A direct measurement of CO depletion and the formation of CO2

K. M. Pontoppidan|ArXiv.org|May 22, 2006

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 61

一句话总结

本研究利用甚大望远镜-ISAAC、斯皮兹勒-IRS和ISO-CAM-CVF的中红外光谱，首次绘制了Oph-F预恒星核中CO和CO2冰的空间分布图。该研究直接测量了CO的冻结损耗分布，并揭示了CO冰表面反应形成CO2的过程，测得CO-CO结合能为814 ± 30 K，为致密分子云中的冰化学提供了关键约束。

ABSTRACT

Aims: Ices in dense star-forming cores contain the bulk of volatile molecules apart from H2 and thus represent a large fraction of dark cloud chemistry budget.To directly constrain the freeze-out profile of CO, the formation route of CO2 and the carrier of the 6.8 micron band, the spatial distribution of the CO/CO2 ice system and the 6.8 micron band carrier are measured in a nearby dense core. Methods: VLT-ISAAC, ISOCAM-CVF and Spitzer-IRS archival mid-infrared (3-20 micron) spectroscopy of young stellar objects is used to construct a map of the abundances of CO and CO2 ices in the Oph-F star-forming core, probing core radii from 2 10^3 to 14 10^3 AU or densities from 5 10^4 to 5 10^5 cm^-3 with a resolution of ~ 3000 AU. Results: The line-of-sight averaged abundances relative to water ice of both CO and CO2 ices increase monotonously with decreasing distance to the core center. The map traces the shape of the CO abundance profile between freeze-out ratios of 5-60% and shows that the CO2 ice abundance increases by a factor of 2 as the CO freezes out. It is suggested that this indicates a formation route of CO2 on a CO ice surface to produce a CO2 component dilute in CO ice, in addition to a fraction of the CO2 formed at lower densities along with the water ice mantle. It is predicted that the CO2 bending mode band profile should reflect a high CO:CO2 number ratio in the densest parts of dark clouds. In contrast to CO and CO2, the abundance of the carrier of the 6.8 micron band remains relatively constant throughout the core. A simple freeze-out model of the CO abundance profile is used to estimate the binding energy of CO on a CO ice surface to 814+/-30 K.

研究动机与目标

• 直接测量致密星形成核心中CO和CO2冰的空间分布，以约束冻结损耗过程。
• 通过分析CO2与CO丰度的相对关系，研究CO2在冰粒包膜中的形成路径。
• 利用观测到的冰丰度分布，确定CO在CO冰表面的结合能。
• 评估6.8 µm吸收带载体的空间变化，该载体在冰丰度变化时保持恒定。
• 通过高分辨率空间映射的冰丰度数据，检验理论冻结损耗模型的有效性。

提出的方法

• 结合甚大望远镜-ISAAC（3–20 µm）、斯皮兹勒-IRS和ISO-CAM-CVF的中红外光谱，探测CO、CO2和H2O冰的特征。
• 利用Oph-F核心中五个嵌入式年轻恒星的视线，测量投影半径2,000至14,000 AU范围内的冰丰度分布。
• 通过CO和CO2冰带的光学深度测量，计算相对于水冰的冰丰度。
• 对观测到的CO丰度分布应用简化的热脱附模型，假设核心处于静态条件且达到冻结平衡。
• 求解冰包膜增长的速率方程：dnice/dt = R_ads - R_des，其中R_des = ν₀ exp(−dH/kT) × nice × β。
• 将模型拟合至观测到的CO丰度分布，利用Bonnor-Ebert密度分布和15 K温度，推导出CO-CO结合能dH。

实验结果

研究问题

• RQ1 CO冰相对于核心中心的距离如何变化？
• RQ2 在致密核心环境中，CO冰的冻结损耗与CO2冰的形成之间存在何种空间关系？
• RQ3 根据观测到的冻结损耗分布，CO在CO冰表面的结合能是多少？
• RQ4 6.8 µm吸收带载体是否表现出空间变化，提示其形成机制或载体与CO或CO2不同？
• RQ5 观测到的CO2丰度向核心中心增加的现象，是否可由CO冰表面反应解释？

主要发现

• CO冰相对于水冰的丰度从核心外缘的约5%单调增加至核心中心的约60%，表明随着密度增加，CO的冻结损耗持续进行。
• CO2冰丰度从核心外区到内区增加了一倍，表明其可能源于冰粒表面CO冰的转化。
• 观测到的CO2增加与CO的冻结损耗相关，支持CO2通过CO冰表面反应形成的路径，产生一种在CO冰中稀释的CO2组分。
• 测得的CO-CO结合能为814 ± 30 K，与实验室测量结果一致，为颗粒表面化学提供了关键约束。
• 6.8 µm吸收带载体的丰度在整个核心范围内保持相对恒定，表明其并非主要与CO或CO2冰相关，可能具有不同的载体或形成机制。
• 模型预测，致密暗云最密集区域的CO2弯曲振动带轮廓应反映高CO:CO2比例，该预测可通过更高分辨率光谱进行检验。