[论文解读] Herschel HIFI Observations of the Sgr A +50 km/s Cloud. Deep Searches for O2 in Emission and Foreground Absorption

Å. Sandqvist, Bengt Larsson+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2015

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 44被引用 9

一句话总结

本研究利用赫歇尔HIFI观测，在银河系中心的Sgr A +50 km/s云中搜寻分子氧（O₂）。尽管未检测到发射信号，但仍建立了3σ上限：X(O₂)/X(H₂) ≤ 5×10⁻⁸；弱吸收特征提示前景旋臂中可能存在O₂，推断丰度高达~10⁻⁵，暗示致密气体中可能由激波驱动形成O₂。

ABSTRACT

To date O2 has definitely been detected in only two sources, namely rho Oph A and Orion, reflecting the extremely low abundance of O2 in the interstellar medium. One of the sources in the HOP program is the +50 km/s Cloud in the Sgr A Complex in the centre of the Milky Way. The Herschel HIFI is used to search for the 487 and 774 GHz emission lines of O2. No O2 emission is detected towards the Sgr A +50 km/s Cloud, but a number of strong emission lines of methanol (CH3OH) and absorption lines of chloronium (H2Cl+) are observed. A 3 sigma upper limit for the fractional abundance ratio of (O2)/(H2) in the Sgr A +50 km/s Cloud is found to be X(O2) less than 5 x 10(-8). However, since we can find no other realistic molecular candidate than O2 itself, we very tentatively suggest that two weak absorption lines at 487.261 and 487.302 GHz may be caused by the 487 GHz line of O2 in two foreground spiral arm clouds. By considering that the absorption may only be apparent, the estimated upper limit to the O2 abundance of less than (10-20) x 10(-6) in these foreground clouds is very high. This abundance limit was determined also using Odin non-detection limits. If the absorption is due to a differential Herschel OFF-ON emission, the O2 fractional abundance may be of the order of (5-10) x 10(-6). With the assumption of pure absorption by foreground clouds, the unreasonably high abundance of (1.4-2.8) x 10(-4) was obtained. The rotation temperatures for CH3OH-A and CH3OH-E lines in the +50 km/s Cloud are found to be 64 and 79 K, respectively, and the fractional abundance of CH3OH is approximately 5 x 10(-7).

研究动机与目标

• 利用深度远红外光谱法，在银河系中心的Sgr A +50 km/s云中搜寻分子氧（O₂）。
• 评估银河系中心极端物理条件（如Sgr A East引起的激波和高能辐射）是否有利于O₂形成。
• 调查487 GHz频段中弱吸收特征是否可能源于前景银河系旋臂云中的O₂。
• 将推导出的O₂丰度上限与化学激波模型预测结果及奥丁卫星先前的非探测结果进行比较。
• 以甲醇（CH₃OH）的激发温度和丰度为基准，评估该云中分子化学的特征。

提出的方法

• 利用赫歇尔远红外混频仪（HIFI）在487 GHz和774 GHz频段进行高分辨率光谱观测，以探测O₂的转动跃迁。
• 分析487 GHz频段中的发射与吸收特征，包括采用差分ON-OFF波束观测法，以区分前景吸收与目标云的本征发射。
• 对未重叠的CH₃OH-A和CH₃OH-E谱线应用分布图分析法，推导转动温度。
• 采用RADEX辐射转移模型，在局部热动平衡假设下，推导O₂和CH₃OH的柱密度及分数丰度。
• 评估弱吸收线的其他可能解释，包括其他分子（如cis-HOCO）的污染，并利用爱因斯坦A系数排除非O₂候选者。
• 将赫歇尔数据与奥丁卫星的非探测极限相结合，在不同物理假设下约束前景云中O₂的丰度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在银河系中心附近的一片致密高温分子云Sgr A +50 km/s中，分子氧（O₂）是否可被探测到？
• RQ2 在487.261 GHz和487.302 GHz处观测到的弱吸收特征，是否更可能源于前景银河系旋臂云中的O₂，而非目标云的发射？
• RQ3 在未检测到发射信号的前提下，Sgr A +50 km/s云中O₂相对于H₂的分数丰度上限是多少？
• RQ4 推导出的前景云中O₂丰度与类似环境中化学激波模型的预测结果相比如何？
• RQ5 Sgr A +50 km/s云中甲醇（CH₃OH）的激发温度和丰度是多少？其值与银河系中心典型值相比如何？

主要发现

• 在Sgr A +50 km/s云方向未探测到O₂发射信号，由此得出3σ上限为X(O₂)/X(H₂) ≤ 5×10⁻⁸。
• CH₃OH-A和CH₃OH-E谱线的转动温度分别确定为约64 K和79 K，与该云中约80 K的气体动能温度一致。
• 该云中CH₃OH的分数丰度约为5×10⁻⁷，略高于银河系中心内区的典型值。
• 在487.261 GHz和487.302 GHz处的两个弱吸收特征，暂且归因于前景旋臂云中的O₂，若为差分发射所致，其推断丰度约为~5–10×10⁻⁶；若为纯吸收所致，则可能高达1.4–2.8×10⁻⁴。
• 结合奥丁卫星的非探测极限与赫歇尔数据，在假设存在微弱过量发射的前提下，推断前景云中O₂丰度≤(1–2)×10⁻⁵。
• 简单模型表明，银河系旋臂密度波引起的激波可在30 K、1000 cm⁻³的介质中产生O₂，与前景云中观测到的丰度范围一致。