[论文解读] Abundance profiles of CH3OH and H2CO toward massive young stars as evolutionary tracers

Floris F. S. van der Tak, E. F. van Dishoeck+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2000

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 4

一句话总结

本研究利用对13个大质量原恒星的CH3OH和H2CO亚毫米线观测，检验气-粒化学模型。结果发现，CH3OH的转动温度与C2H2的激发温度相关，表明冰质尘埃包膜同时脱出；并识别出三种与演化阶段相关的丰度分布——在~10⁻⁹处平坦，在~100 K处跃升至~10⁻⁷，在热核中平坦于~若干×10⁻⁸，证实包膜蒸发是甲醇增强的来源。

ABSTRACT

The chemical evolution of thirteen regions of massive star formation is studied through single-dish and interferometer line observations at submillimeter wavelengths. The wealth of CH3OH and H2CO lines covering a large range of excitation conditions allows us to calculate radial abundance profiles, using the physical structures of the sources derived earlier from submillimeter continuum and CS lines. The data indicate three types of abundance profiles: flat profiles at CH3OH/H2 ~10^-9 for the coldest sources, profiles with a jump in its abundance from ~10^-9 to ~10^-7 for the warmer sources, and flat profiles at CH3OH/H2 ~few 10^-8 for the hot cores. The location of the jump at T~100 K suggests that it is due to evaporation of grain mantles, followed by destruction in gas-phase reactions in the hot core stage. In contrast, the H2CO data can be well fit with a constant abundance of a few x 10^-9 throughout the envelope, providing limits on its grain surface formation. These results indicate that T_rot(CH3OH) can be used as evolutionary indicator during the embedded phase of massive star formation, independent of source optical depth or orientation.

研究动机与目标

• 利用亚毫米线数据研究大质量恒星形成区中CH3OH和H2CO的化学演化。
• 检验CH3OH丰度分布是否能追踪大质量原恒星对象（MYSOs）的演化阶段。
• 确定低光度与高光度源中冰质尘埃包膜的主要脱附机制（激波 vs. 热加热）。
• 利用观测到的CO、CO2和CH3OH固相丰度约束预原恒星阶段的密度和 timescales。
• 评估紫外光解和辐射分解在嵌入式区域中改变冰相组成的效率。

提出的方法

• 在241 GHz和338 GHz频段，对CH3OH和H2CO进行单镜望远镜（JCMT）和干涉测量（OVRO）的亚毫米线观测。
• 从谱线轮廓和激发温度中测量CH3OH（30–200 K）和H2CO（60–90 K）的转动温度。
• 使用非-LTE辐射转移模型，从观测到的谱线强度和源结构推导CH3OH和H2CO的径向丰度分布。
• 将观测到的丰度分布与气-粒化学模型预测进行比较，假设表面反应以CO凝聚速率进行。
• 通过将模型输出与观测到的HCOOH和CH4丰度对比，评估冰相处理机制（紫外光解、宇宙射线辐射分解）的效率。
• 使用C2H2的激发温度作为气体温度的代理，推断CH3OH辐射的起源，并检验其与冰质尘埃包膜脱出的共演化关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 CH3OH的转动温度是否与C2H2的激发温度相关，表明其起源于冰质尘埃包膜的共同脱出？
• RQ2 在约100 K处观测到的CH3OH丰度从~10⁻⁹跃升至~10⁻⁷的原因是什么，其与演化阶段有何关联？
• RQ3 考虑到H2CO在包层中丰度分布恒定，其主要是在气相中形成还是在颗粒表面形成？
• RQ4 从观测到的CO、CO2和CH3OH固相丰度中，对预原恒星阶段的密度和持续时间有何约束？
• RQ5 在嵌入式大质量恒星形成区中，紫外光解和辐射分解是否是高效的冰相处理机制？

主要发现

• CH3OH的转动温度（30–200 K）与C2H2的激发温度强相关，表明冰质尘埃包膜同时脱出。
• CH3OH谱线宽度（3–5 km s⁻¹）在大多数源中与C17O和C34S一致，但在GL 7009S和IRAS 20126中，谱线不对称性揭示了CH3OH存在于喷流中，表明在低光度源中为激波驱动脱附。
• 识别出三种不同的CH3OH丰度分布：冷源中为~10⁻⁹的平坦分布，中等源中在~100 K处从~10⁻⁹跃升至~10⁻⁷，热核中为~若干×10⁻⁸的平坦分布。
• 在~100 K处CH3OH丰度的跃升被解释为冰质尘埃包膜蒸发所致，随后在热核条件下发生气相破坏。
• H2CO丰度在包层中保持恒定于~若干×10⁻⁹，表明其主要来源于气相形成，且在颗粒表面氢化生成CH3OH的量有限。
• 基于观测到的CO2和CH3OH丰度约束的气-粒化学模型表明，预原恒星阶段的密度>若干×10⁴ cm⁻³，持续时间<10⁵ yr，且表面反应以CO凝聚速率进行。