[论文解读] The Si + SO<SUB>2</SUB> collision and an extended network of neutral-neutral reactions between silicon and sulphur bearing species

Danilo R Campanha, Edgar Mendoza+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Solid-state spectroscopy and crystallography参考文献 60被引用 9

一句话总结

本研究通过计算方法研究了 Si + SO₂ 反应，并构建了一个涉及硅和含硫物种的中性-中性反应扩展网络。研究发现，Si + SO₂ 仅生成 SiO 和 SO，不存在生成 SiS 的路径，且表明在原恒星激波（如 L1157-B1）中，SiS 的丰度在形成路径为 SiH + S 时可达到约 10⁻⁸ H₂，尤其在年龄较老的云气（10⁶ yr）中，与观测结果一致，凸显了云气年龄和氧原子对 SiS 的破坏作用在其中的关键影响。

ABSTRACT

The Si + SO<SUB>2</SUB> reaction is investigated to verify its impact on the abundances of molecules with astrochemical interest, such as SiS, SiO, SO, and others. According to our results Si(<SUP>3</SUP>P) and SO<SUB>2</SUB> react barrierlessly yielding only the monoxides SO and SiO as products. No favourable pathway has been found leading to other products, and this reaction should not contribute to SiS abundance. Furthermore, it is predicted that SiS is stable in collisions with O<SUB>2</SUB>, and that S(<SUP>3</SUP>P) + SiO<SUB>2</SUB> and O(<SUP>3</SUP>P)+OSiS will also produce SO + SiO. Using these results and gathering further experimental and computational data from the literature, we provide an extended network of neutral-neutral reactions involving Si- and S-bearing molecules. The effects of these reactions were examined in a protostellar shock model, using the NAUTILUS gas-grain code. This consisted in simulating the physicochemical conditions of a shocked gas evolving from (i) primeval cold core, (ii) the shock region itself, (iii) and finally the gas bulk conditions after the passage of the shock. Emphasizing on the cloud ages and including systematically these chemical reactions, we found that [SiS/H<SUB>2</SUB>] can be of the order of ~10<SUP>-8</SUP> in shocks that evolves from clouds of t = 1 × 10<SUP>6</SUP> yr, whose values are mostly affected by the SiS + O $\\longrightarrow$SiO + S reaction. Perspectives on further models along with observations are discussed in the context of sources harbouring molecular outflows.

研究动机与目标

• 确定 Si + SO₂ 反应是否在星际化学环境中促进 SiS 的形成。
• 评估原子氧对 SiS 的破坏作用，以及云气年龄对激波中 SiS 丰度的影响。
• 构建并测试涉及硅和含硫物种的中性-中性反应扩展网络，用于原恒星激波化学。
• 通过纳入此前未被考虑的反应（特别是 SiS 的形成与破坏路径），改进天体化学模型。
• 将模型预测与 L1157-B1 和 IRC+10216 等源的观测 SiS 丰度进行比较。

提出的方法

• 采用高阶从头算方法（如 CCSD(T)/cc-pVQZ）进行量子化学计算，以绘制 Si + SO₂ 反应的势能面。
• 系统分析 Si + SO₂、S + SiO₂、O + OSiS 和 SiS + O 反应的反应路径，识别动力学上可实现的产物。
• 整合文献中关于 SiS 稳定性、SiH + S 反应及 Si + SO 反应的数据，构建全面的反应网络。
• 将反应网络集成至 Nautilus 气-粒化学代码中，模拟原恒星激波条件。
• 对三个阶段进行建模：(i) 静止的冷分子核心（10⁶ yr），(ii) 激波区域，(iii) 激波后气体，以追踪随时间变化的丰度。
• 将模拟的 SiS/H₂ 比值与 L1157-B1 及其他源的观测数据进行比较，以验证模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 Si + SO₂ 反应是否生成 SiS？若生成，其在星际环境中的形成路径是否具有可行性？
• RQ2 预激波分子云的寿命（如 10⁵ yr 与 10⁶ yr）如何影响原恒星激波中预测的 SiS 丰度？
• RQ3 原子氧在 SiS 破坏过程中起什么作用？其影响如何改变激波模型中最终的 SiS 丰度？
• RQ4 SiH + S 反应在激波演化后期是否能显著贡献于 SiS 的形成？
• RQ5 此前未被考虑的中性-中性反应在多大程度上改变了天体化学模型中硅和含硫分子的预测丰度？

主要发现

• Si + SO₂ 反应无能垒进行，仅生成 SiO 和 SO，不存在动力学上可实现的 SiS 生成路径，因此该反应不可能是 SiS 的来源。
• SiS + O → SiO + S 反应是 SiS 的主要破坏通道，在激波中显著降低其丰度。
• SiS 对 O₂ 碰撞具有动力学稳定性，表明 O₂ 不参与 SiS 的破坏。
• 在源自 10⁶ yr 老化云气的激波模型中，预测的 SiS/H₂ 丰度可达 ~10⁻⁸，与 L1157-B1 的观测结果一致。
• 在激波通过后的后期阶段，SiH + S 反应成为 SiS 的重要来源，有助于维持 SiS 的持续丰度。
• 模拟结果表明，云气年龄是关键因素：仅当预激波演化时间为 10⁶ yr 的模型才能重现观测到的 SiS 丰度，凸显了化学时标在激波化学中的重要性。