[论文解读] The Molecular Chemistry of Diffuse and Translucent Clouds in the Line-of-Sight to Sgr B2

Joanna Corby, Brett A. McGuire+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 70被引用 8

一句话总结

本研究利用GBT PRIMOS巡天，分析了指向Sgr B2方向的银道面内弥漫云和半透明云中的分子吸收，测量了11种分子及其同位素体的柱密度和丰度。研究发现，分子氢分数随银心方向增加（f(H₂) > 0.9），CS丰度系统性地随云结构变化，且首次在弥漫云中探测到l-C₃H⁺，表明银道面内存在致密的团块状亚结构，以及模型未能预测的增强硫-bearing化学过程。

ABSTRACT

The 1-50 GHz GBT PRIMOS data contains ~50 molecular absorption lines observed in diffuse and translucent clouds located in the Galactic Center, Bar, and spiral arms in the line-of-sight to Sgr B2(N). We measure the column densities and estimate abundances, relative to H2, of 11 molecules and additional isotopologues. We use absorption by optically thin transitions of c-C3H2 to estimate the N(H2), and argue that this method is preferable to more commonly used methods. We discuss the kinematic structure and abundance patterns of small molecules including the sulfur-bearing species CS, SO, CCS, H2CS, and HCS+; oxygen-bearing molecules OH, SiO, and H2CO; and simple hydrocarbon molecules c-C3H2, l-C3H, and l-C3H+. We discuss the implications of the observed chemistry for the structure of the gas and dust in the ISM. Highlighted results include the following. First, whereas gas in the disk has a molecular hydrogen fraction of 0.65, clouds on the outer edge of the Galactic Bar and in or near the Galactic Center have molecular fractions of 0.85 and >0.9, respectively. Second, we observe trends in isotope ratios with Galactocentric distance; while carbon and silicon show enhancement of the rare isotopes at low Galactocentric distances, sulfur exhibits no trend with Galactocentric distance; the ratio of c-C3H2/c-H13CCCH provides a good estimate of the 12C:13C ratio, whereas H2CO/H2^13CO exhibits fractionation. Third, we report the presence of l-C3H+ in diffuse clouds for the first time. Finally, we suggest that CS has an enhanced abundance within higher density clumps of material in the disk, and therefore may be diagnostic of cloud conditions. If this holds, the diffuse clouds in the Galactic disk contain multiple embedded hyperdensities in a clumpy structure, and the density profile is not a simple function of A_V.

研究动机与目标

• 测量沿Sgr B2视线方向的弥漫云和半透明云中简单有机物与无机物的柱密度及相对丰度。
• 利用分子吸收特征评估银河系盘、棒和银心区域的星际介质（ISM）的物理与化学结构。
• 评估c-C₃H₂作为H₂柱密度示踪剂的可靠性，并与传统方法进行比较。
• 研究与银心距离相关的同位素比值梯度与分馏趋势。
• 确定CS及其他含硫物种是否可作为云密度与结构的诊断工具。

提出的方法

• 利用1–50 GHz的PRebiotic Interstellar MOlecular Survey (PRIMOS) 巡天，探测银河平面中11种分子及其同位素体的吸收线。
• 通过弱且光学薄的跃迁的光学深度推导柱密度，主要利用c-C₃H₂估算H₂柱密度。
• 利用推导出的H₂柱密度和分子柱密度，计算相对于H₂的丰度。
• 通过动力学结构与线轮廓分析，识别不同的云组分及其物理条件。
• 测量同位素比值（¹²C/¹³C、²⁸Si/²⁹Si、³²S/³⁴S），并将其与银心距离相关联，以评估化学梯度。
• 对CS、SO、H₂CO及其他物种进行对比分析，评估其与云密度和结构的相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Sgr B2视线方向的弥漫云和半透明云中，分子丰度与同位素比值如何随银心距离变化？
• RQ2 c-C₃H₂能否作为H₂柱密度的可靠示踪剂？其性能是否优于传统方法？
• RQ3 含硫分子（CS、SO、HCS⁺、H₂CS、CCS）的丰度模式揭示了星际介质的物理结构与密度分布的哪些信息？
• RQ4 为何含CS分子显著过量于模型预测？它们能否作为高密度团块的诊断工具？
• RQ5 SiO与CS的轮廓动力学特征有何不同？它们对星际介质中激波结构与团块存活有何启示？

主要发现

• 分子氢分数随银心方向增加，在中心区域达到f(H₂) > 0.9，而在银道盘区域仅为0.65。
• 由c-C₃H₂/c-H¹³CCCH测得的¹²C/¹³C比值随银心距离增加而上升，与银河系化学梯度一致。
• ²⁸Si/²⁹Si比值从银心区域的~13增加至棒区域的~21，表明硅同位素存在径向梯度。
• 通过CS/C³⁴S测得的³²S/³⁴S比值在银心距离上无显著趋势，且比以往测量值低约3–4倍。
• 首次在弥漫云中探测到l-C₃H⁺，表明其可能通过紫外增强的形成路径生成，或可用作紫外剂量计。
• CS在银道盘中表现出强而窄的吸收特征，表明存在嵌入的高密度团块；而在中心与棒区域则呈现更宽、更均匀的轮廓，暗示云结构不同。