[论文解读] Gas phase Elemental abundances in Molecular cloudS (GEMS). II. On the quest for the sulphur reservoir in molecular clouds: the $H_{2}S$ case

D. Navarro-Almaida, Romane Le Gal+31 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2020

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 83被引用 24

一句话总结

本研究利用毫米波观测和气体-尘埃化学模型 Nautilus，调查了暗分子云 TMC 1-C、TMC 1-CP 和 Barnard 1b 中的硫化学。研究发现，化学脱附是气相 H2S 的主要来源，且在高密度区域（n_H > 2×10⁴ cm⁻³）脱附效率下降，可能由于 H2O 和 CO 冰层变厚；在宇宙硫丰度下，H2S 和 SO 的丰度得到良好再现，但 CS 的丰度被高估了 5–10 倍。

ABSTRACT

Sulphur is one of the most abundant elements in the Universe. Surprisingly, sulphuretted molecules are not as abundant as expected in the interstellar medium, and the identity of the main sulphur reservoir is still an open question. Our goal is to investigate the H$_{2}$S chemistry in dark clouds, as this stable molecule is a potential sulphur reservoir. Using millimeter observations of CS, SO, H$_{2}$S, and their isotopologues, we determine the physical conditions and H$_{2}$S abundances along the cores TMC 1-C, TMC 1-CP, and Barnard 1b. The gas-grain model Nautilus is then used to model the sulphur chemistry and explore the impact of photo-desorption and chemical desorption on the H$_2$S abundance. Our model shows that chemical desorption is the main source of gas-phase H$_2$S in dark cores. The measured H$_{2}$S abundance can only be fitted if we assume that the chemical desorption rate decreases by more than a factor of 10 when $n_{ m H}>2 imes10^{4}$. This change in the desorption rate is consistent with the formation of thick H$_2$O and CO ice mantles on grain surfaces. The observed SO and H$_2$S abundances are in good agreement with our predictions adopting an undepleted value of the sulphur abundance. However, the CS abundance is overestimated by a factor of $5-10$. Along the three cores, atomic S is predicted to be the main sulphur reservoir. We conclude that the gaseous H$_2$S abundance is well reproduced, assuming undepleted sulphur abundance and chemical desorption as the main source of H$_2$S. The behavior of the observed H$_{2}$S abundance suggests a changing desorption efficiency, which would probe the snowline in these cores. Our model, however, overestimates the observed gas-phase CS abundance. Given the uncertainty in the sulphur chemistry, our data are consistent with a cosmic elemental S abundance with an uncertainty of a factor of 10.

研究动机与目标

• 确定三个暗分子核心 TMC 1-C、TMC 1-CP 和 Barnard 1b 的物理条件及 H2S 丰度。
• 研究化学脱附和光致脱附在将 H2S 从尘埃表面释放到气相中的作用。
• 通过对比观测到的 H2S、SO 和 CS 丰度与模型预测，评估这些核心中的硫元素丰度。
• 探讨 H2S 丰度变化与冰层尘埃包膜化学成分（特别是 H2O 和 CO）之间的关联。
• 评估观测到的 H2S 丰度是否能约束冷云核心中雪线的位置。

提出的方法

• 通过尘埃发射和辐射转移建模，利用 H2S、SO、CS 及其同位素体的毫米波观测，推导出物理条件（密度、温度、紫外辐射场）。
• 应用一维球对称的 BE（Bonnor-Ebert）模型，推断 TMC 1-C、TMC 1-CP 和 Barnard 1b 的物理结构。
• 使用气体-尘埃化学模型 Nautilus 模拟硫化学，包括尘埃表面的生成与脱附过程。
• 改变化学脱附和光致脱附的效率，以测试其对 H2S 丰度的影响，特别是在高密度区域。
• 沿云核追踪冰层成分（H2O、CO、H2S），以关联 H2S 脱附效率的变化。
• 将 H2S、SO 和 CS 丰度的模型预测与观测结果对比，以约束硫元素的丰度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在暗分子云中，导致 H2S 进入气相的主导机制是什么？
• RQ2 随着气体密度增加，H2S 的化学脱附效率如何变化？其物理机制可能是什么？
• RQ3 根据观测到的 H2S、SO 和 CS 丰度，TMC 1-C、TMC 1-CP 和 Barnard 1b 中的元素硫丰度是多少？
• RQ4 冰层尘埃包膜（H2O、CO、H2S）的成分如何沿云核演化？其与 H2S 脱附效率有何关联？
• RQ5 为何观测到的 CS 丰度显著高于模型预测值？这对硫化学意味着什么？

主要发现

• 化学脱附是暗核中 H2S 进入气相的主导机制，尤其在低密度区域（n_H < 2×10⁴ cm⁻³）。
• 只有当化学脱附效率在 n_H > 2×10⁴ cm⁻³ 时降低超过 10 倍，模型才能准确再现 H2S 丰度。
• 这种脱附效率的降低与尘埃表面 H2O 和 CO 冰层变厚相关，表明表面化学过程可能发生转变。
• 观测到的 H2S 和 SO 丰度与未耗竭的宇宙硫丰度（S/H ~ 1.35×10⁻⁵）一致，误差在 10 倍以内。
• 模型高估了气相 CS 丰度 5–10 倍，表明 CS 的生成或消亡路径存在显著不确定性。
• 所有三个核心中，原子硫被预测为最主要的硫储存库，凸显了对致密环境中硫化学理解的不完整性。