[论文解读] Acetone in Orion BN/KL - High-resolution maps of a special oxygen-bearing molecule

T.-C. Peng, D. Despois+8 more|Apr 17, 2013

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 56被引用 24

一句话总结

本研究利用IRAM Plateau de Bure干涉仪数据，对猎户座BN/KL区域中的丙酮（CH₃）₂CO进行了高分辨率的干涉测量图谱绘制，揭示了三个主要发射峰（Ace-1、Ace-2、Ace-3）以及热核北部的弥散发射。研究发现，丙酮的分布更为弥散，且与含氮分子（如C₂H₅CN和NH₃）的空间分布高度相关，表明其与激波气体环境有关，而非典型的含氧化合物化学过程。

ABSTRACT

As one of the prime targets of interstellar chemistry study, Orion BN/KL clearly shows different molecular distributions between large nitrogen- (e.g., C2H5CN) and oxygen-bearing (e.g., HCOOCH3) molecules. However, acetone (CH3)2CO, a special complex O-bearing molecule, has been shown to have a very different distribution from other typical O-bearing molecules in the BN/KL region. We searched for acetone within our IRAM Plateau de Bure Interferometer 3 mm and 1.3 mm data sets. Twenty-two acetone lines were searched within these data sets. The angular resolution ranged from 1.8 X 0.8 to 6.0 X 2.3 arcsec^2, and the spectral resolution ranged from 0.4 to 1.9 km s-1. Nine of the acetone lines appear free of contamination. Three main acetone peaks (Ace-1, 2, and 3) are identified in Orion BN/KL. The new acetone source Ace-3 and the extended emission in the north of the hot core region have been found for the first time. An excitation temperature of about 150 K is determined toward Ace-1 and Ace-2, and the acetone column density is estimated to be 2-4 X 10^16 cm-2 with a relative abundance of 1-6 X 10^-8 toward these two peaks. Acetone is a few times less abundant toward the hot core and Ace-3 compared with Ace-1 and Ace-2. We find that the overall distribution of acetone in BN/KL is similar to that of N-bearing molecules, e.g., NH3 and C2H5CN, and very different from those of large O-bearing molecules, e.g., HCOOCH3 and (CH3)2O. Our findings show the acetone distribution is more extended than in previous studies and does not originate only in those areas where both N-bearing and O-bearing species are present. Moreover, because the N-bearing molecules may be associated with shocked gas in Orion BN/KL, this suggests that the formation and/or destruction of acetone may involve ammonia or large N-bearing molecules in a shocked-gas environment.

研究动机与目标

• 研究化学富集的猎户座BN/KL区域中丙酮的高角分辨率空间分布。
• 解决先前低分辨率丙酮图谱与复杂分子观测分布之间的矛盾。
• 确定丙酮分布是否与含氮物种或含氧化合物物种相关，从而揭示其形成路径。
• 估算不同发射峰处丙酮的激发温度、柱密度及相对丰度。
• 探讨激波在丙酮形成或破坏过程中的作用，鉴于其分布与其它含氧化合物相比存在异常。

提出的方法

• 利用IRAM Plateau de Bure干涉仪获取3 mm和1.3 mm波段的连续谱与线状数据，具有高灵敏度和角分辨率（1.8–6.0"）
• 在多个频段系统性搜索22条丙酮转动能级跃迁，其上能级均低于300 K
• 在考虑与NH₂CHO、H₂CS、HCOOCH₃及¹³C取代物种的重叠干扰后，识别出九条清晰且未受污染的丙酮谱线
• 采用转动能级图分析法对各发射峰的辐射进行建模，以推导出激发温度和柱密度
• 将丙酮的空间分布与已知的激波示踪分子（如C₂H₅CN、NH₃）及热核示踪分子（如HCOOCH₃、(CH₃)₂O）进行比较
• 利用合成波束尺寸和uv覆盖情况，评估在探测弥散和弱发射时的灵敏度与分辨率限制

实验结果

研究问题

• RQ1 猎 Orion BN/KL区域中丙酮的高分辨率分布与HCOOCH₃和(CH₃)₂O等其他含氧化合物的分布相比有何异同？
• RQ2 在BN/KL区域中，丙酮与含氮分子（如C₂H₅CN和NH₃）之间存在何种空间关系？
• RQ3 在主要发射峰（Ace-1、Ace-2、Ace-3）处，丙酮的激发温度和柱密度分别是多少？
• RQ4 丙酮的分布是否与表面冰粒上的形成机制一致，还是需要激波驱动的形成机制？
• RQ5 为何丙酮在热核区域和Ace-3处的丰度低于Ace-1和Ace-2？这对其形成环境有何启示？

主要发现

• 识别出九条未受污染的丙酮谱线，使激发温度与柱密度分析得以可靠进行。
• 探测到三个主要丙酮发射峰（Ace-1、Ace-2、Ace-3），其中Ace-3为此前研究中未见的弱源，为新发现。
• 在热核北部发现弥散的丙酮发射，形成弧状结构，表明其分布范围比以往报道更为弥散。
• 推导出Ace-1的激发温度为159 ± 14 K，Ace-2为145 ± 16 K，丙酮柱密度为2–4 × 10¹⁶ cm⁻²，相对丰度为1–6 × 10⁻⁸。
• 在热核区域和Ace-3处，丙酮丰度显著较低（2–7 × 10⁻⁹），而Ace-1和Ace-2处较高，表明化学过程存在空间差异。
• 丙酮的分布与含氮分子（如C₂H₅CN、NH₃）高度相似，提示其与激波气体有关，而非典型的含氧化合物化学过程。