[论文解读] Gas-phase Elemental abundances in Molecular cloudS (GEMS) III. Unlocking the CS chemistry: the CS+O reaction

Niyazi Bulut, Octavio Roncero+37 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2020

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 74被引用 6

一句话总结

本研究利用从头算量子化学与动力学方法，计算了在低于150 K的星际温度下CS+O反应的速率，发现在10 K时速率常数可忽略不计，低于10⁻¹⁵ cm³ s⁻¹。结果证实该反应是冷分子云中CS消耗的关键路径，结合TMC-1化学模型中更新的硫元素耗竭与宇宙射线电离率处理，成功解决了模型与观测之间的差异。

ABSTRACT

CS is among the most abundant gas-phase S-bearing molecules in cold dark molecular clouds. It is easily observable with several transitions in the millimeter wavelength range, and has been widely used as a tracer of the gas density in the interstellar medium in our Galaxy and external galaxies. Chemical models fail to account for the observed CS abundances when assuming the cosmic value for the elemental abundance of sulfur. The CS+O -> CO + S reaction has been proposed as a relevant CS destruction mechanism at low temperatures, and could explain the discrepancy between models and observations. Its reaction rate has been experimentally measured at temperatures of 150-400 K, but the extrapolation to lower temperatures is doubtful. Here we calculate the CS+O reaction rate at temperatures <150 K which are prevailing in the interstellar medium. We performed ab initio calculations to obtain the three lowest PES of the CS+O system. These PESs are used to study the reaction dynamics, using several methods to eventually calculate the CS+O thermal reaction rates. We compare the results of our theoretical calculations for 150-400 K with those obtained in the laboratory. Our detailed theoretical study on the CS+O reaction, which is in agreement with the experimental data obtained at 150-400 K, demonstrates the reliability of our approach. After a careful analysis at lower temperatures, we find that the rate constant at 10 K is negligible, which is consistent with the extrapolation of experimental data using the Arrhenius expression. We use the updated chemical network to model the sulfur chemistry in TMC1 based on molecular abundances determined from GEMS project observations. In our model, we take into account the expected decrease of the cosmic ray ionization rate along the cloud. The abundance of CS is still overestimated when assuming the cosmic value for the sulfur abundance.

研究动机与目标

• 解决化学模型与冷暗云中CS丰度观测之间长期存在的差异。
• 研究CS+O反应是否可作为CS在低温下的潜在消耗机制，鉴于在假设宇宙硫丰度时，现有模型无法再现观测到的CS丰度。
• 提供适用于星际介质温度范围（T < 150 K）的CS+O反应的精确热速率常数，该温度区间缺乏实验数据。
• 通过整合理论推导的速率常数并评估其对CS、HCS⁺和H₂S等观测物种的影响，改进天体化学模型中的硫化学网络。
• 评估随消光程度变化的宇宙射线电离率（ζH₂）在塑造TMC-1中含硫分子丰度中的作用。

提出的方法

• 进行高水平从头算计算，构建CS + O体系的三个最低能势能面（PESs）。
• 应用经典、量子及半经典的动力学方法，计算CS+O反应在不同温度下的热速率常数。
• 将理论结果与150–400 K范围内的现有实验数据进行对比，以验证计算方法的准确性和可靠性。
• 在时间依赖的化学网络模型中使用推导出的速率常数，模拟御夫座分子云1（TMC-1）中含硫物种的丰度。
• 利用GEMS项目观测数据对模型进行测试，调整硫元素耗竭因子及空间变化的宇宙射线电离率（ζH₂）。
• 将模型预测结果与CS、HCS⁺、SO和H₂S的观测丰度进行比较，以评估模型性能并识别尚未解决的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低于150 K的温度下，特别是10 K时，CS+O反应的热速率常数是多少，该温度与冷分子云相关？
• RQ2 CS+O反应的理论速率常数在150–400 K范围内与实验数据相比如何？该比较是否验证了计算方法的可靠性？
• RQ3 在化学模型中引入CS+O反应后，是否能解决在假设宇宙硫丰度时CS丰度过高预测的问题？
• RQ4 随消光程度变化的宇宙射线电离率（ζH₂）如何影响TMC-1中含硫物种丰度的预测？
• RQ5 即使考虑了硫元素耗竭和ζH₂的空间变化，为何H₂S丰度在模型中仍被显著低估？是否存在尚未识别的化学过程？

主要发现

• 在10 K时，CS+O反应的理论速率常数可忽略不计，低于10⁻¹⁵ cm³ s⁻¹，与实验数据的阿伦尼乌斯外推结果一致。
• 在150–400 K范围内，CS+O反应的理论速率常数与实验测量值高度一致，证实了计算方法的可靠性。
• 在结合硫元素耗竭因子为20的条件下，将CS+O反应纳入化学模型后，显著改善了TMC-1中CS和HCS⁺丰度的模型拟合度。
• 尽管CS和HCS⁺的拟合度得到改善，但若不假设硫耗竭可忽略（S/H = 1.5 × 10⁻⁵），H₂S丰度仍被低估超过十倍。
• 即使考虑了随消光程度降低的ζH₂空间分布，模型仍无法准确再现H₂S的丰度，表明硫化学中仍存在缺失或不确定的反应路径。
• 中性原子硫反应速率、S⁺反应分支比以及HCS⁺解离复合速率仍存在显著不确定性，凸显了未来理论与实验研究的迫切需求。