[論文レビュー] Sulfur depletion in dense clouds and circumstellar regions I. H2S ice abundance and UV-photochemical reactions in the H2O-matrix

A. Jiménez-Escobar, G. M. Muñoz|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2011

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 29被引用数 56

ひとこと要約

本研究では、超高真空条件下でH2O氷に混合されたH2S氷を紫外線照射する実験を実施し、濃密な星間雲および周囲星領域における硫黄の欠乏を解明する。中赤外分光法と温度プログラム脱着を用いた分析から、H2S:H2O氷の光化学的反応により難揮発性の硫黄ポリマー（S2–S8）が生成され、これが欠落している硫黄の主な貯留源である可能性が示された。原始星におけるH2S氷の含有量はH2Oに対して0.7%未塔と制限される。

ABSTRACT

This work aims to study the unexplained sulfur depletion observed toward dense clouds and protostars. We made simulation experiments of the UV-photoprocessing and sublimation of H2S and H2S:H2O ice in dense clouds and circumstellar regions, using the Interstellar Astrochemistry Chamber (ISAC), a state-of-the-art ultra-high-vacuum setup. The ice was monitored in situ by mid-infrared spectroscopy in transmittance. Temperature-programmed desorption (TPD) of the ice was performed using a quadrupole mass spectrometer (QMS) to detect the volatiles desorbing from the ice. Comparing our laboratory data to infrared observations of protostars we obtained a more accurate upper limit of the abundance of H2S ice toward these objects. We determined the desorption temperature of H2S ice, which depends on the initial H2S:H2O ratio. UV-photoprocessing of H2S:H2O ice led to the formation of several species. Among them, H2S2 was found to photodissociate forming S2 and, by elongation, other species up to S8, which are refractory at room temperature. A large fraction of the missing sulfur in dense clouds and circumstellar regions could thus be polymeric sulfur residing in dust grains.

研究の動機と目的

• 濃密星間雲および周囲星領域において、宇宙の平均に比べてガス相で硫黄が欠乏しているという長年の謎を解明すること。
• H2O氷マトリックス内でのH2Sの紫外線光分解反応が、氷上に付着した粒子が硫黄を閉じ込める役割を果たすことを調査すること。
• 星間環境下におけるH2Sおよびその光分解生成物の脱着挙動と赤外分光特性を特定すること。
• 原始星に向けての観測において、H2S氷およびその光分解生成物が検出可能かどうかを評価すること。
• S2–S8のような難揮発性硫黄種の生成経路を検討し、星間の貯留源における欠落硫黄を説明できるかを検討すること。

提案手法

• 濃密星間雲および周囲星の氷環境を模倣するため、超高真空装置である宇宙化学研究用チャンバー（ISAC）を用いた実験を実施した。
• H2S/H2O比を変化させたH2S:H2O氷混合物（純粋なH2SからH2Oに2%のH2Sを含むまで）を調製し、真空紫外線（VUV）放射にさらした。
• 分子の特徴と光化学反応の進行を追跡するために、氷の組成をリアルタイムで中赤外透過分光法でモニタリングした。
• 四重極子質量分析計（QMS）を用いた温度プログラム脱着（TPD）により、脱着温度と揮発性生成物を測定した。
• ISO-SWSによる原始星W33AおよびIRAS18316-0602の観測と比較することで、H2S氷含有量の上限を導出した。
• 質量分析法を用いて、UV放射によるH2S2、HS•、S2および硫黄ポリマー（S3–S8）の光生成生成物を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実験的に得られたスペクトルと比較した場合、原始星環境におけるH2S氷のH2Oに対する含有量の上限は何か？
• RQ2 氷マトリックス内にH2Oが存在する場合、H2Sの脱着温度および脱着挙動にどのような影響を与えるか？
• RQ3 H2S:H2O氷混合物に紫外線を照射した際、どのような硫黄含有光分解生成物が生成されるか？
• RQ4 本実験で生成された難揮発性硫黄種（例：S2–S8）は、星間で観測された硫黄欠乏を説明できるか？
• RQ5 H2S氷処理の光分解生成物は、現在の赤外線観測または将来のサブミリ波長（ALMA）観測で検出可能か？

主な発見

• 純粋なH2S氷の脱着温度は約82 Kであるが、H2Oを多く含むマトリックス内では、145 Kおよび163 Kの二つのピークで共脱着する。これは先行研究と整合的である。
• ISO観測との比較から、W33AではH2S氷のH2Oに対する含有量上限が0.7%、IRAS18316-0602では0.13%であると導かれた。
• H2S:H2O氷に紫外線を照射すると、H2Sの光分解が進行し、H2S2、HS•、S2が生成され、さらにそれらが難揮発性の硫黄ポリマー（S3–S8）に重合する。
• S8が最も多く生成されるが、H2Sの初期含有量がわずか2%（H2Oに対して）であっても、その生成が顕著に観察され、重合反応の高い効率性が示された。
• SO2、HSO3−、HSO4−、H2SO4などの光分解生成物は100–200 Kの間で脱着するが、氷の昇華後も硫黄ポリマーは粒子マントルに閉じ込められたまま残る。
• H2Sの光化学的反応によるSポリマーの生成は、濃密星間雲および周囲星領域における欠落硫黄の有効な貯留源を提供し、観測された硫黄欠乏を説明できる。