[论文解读] High sensitivity maps of molecular ions in L1544: I. Deuteration of N2H+ and HCO+ and first evidence of N2D+ depletion

E. Redaelli, L. Bizzocchi+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2019

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 55被引用 12

一句话总结

本研究对前恒星核L1544中N₂H⁺、N₂D⁺、HCO⁺及其氘代同位素体的多个转动能级进行了高灵敏度、非-LTE辐射转移分析。通过化学模型约束激发条件，报告了N₂H⁺的D/H比为0.26⁺⁰.¹⁵₋₀.¹⁴，HCO⁺的D/H比为0.035⁺⁰.⁰¹⁵₋₀.⁰¹²，首次观测到核心中心区域N₂D⁺的耗竭现象，证实了化学模型的预测，并为早期恒星形成过程中电离度估计提供了关键约束。

ABSTRACT

Context. The deuterium fraction in low-mass prestellar cores is a good diagnostic indicator of the initial phases of star formations, and it is also a fundamental quantity to infer the ionisation degree in these objects. Aims. With the analysis of multiple transitions of $ m N_2H^+$, $ m N_2D^+$, $ m HC^{18}O^+$ and $ m DCO^+$ we are able to determine the molecular column density maps and the deuterium fraction in $ m N_2H^+$ and $ m HCO^+$ toward the prototypical prestellar core L1544. This is the preliminary step to derive the ionisation degree in the source. Methods. We use a non-local thermodynamic equilibrium (non-LTE) radiative transfer code, combined with the molecular abundances derived from a chemical model, to infer the excitation conditions of all the observed transitions, which allows us to derive reliable maps of each molecule's column density. The ratio between the column density of a deuterated species and its non-deuterated counterpart gives the searched deuteration level. Results. The non-LTE analysis confirms that, for the analysed molecules, higher-J transitions are characterised by excitation temperatures $\approx 1-2\,$K lower than the lower-J ones. The chemical model that provides the best fit to the observational data predict the depletion of $ m N_2H^+$ and to a lesser extent of $ m N_2D^+$ in the innermost region. The peak values for the deuterium fraction that we find are $\mathrm{D/H_{N_2H^+}} = 0.26^{+0.15}_{-0.14}$ and $\mathrm{D/H_{HCO^+}} = 0.035^{+0.015}_{-0.012}$, in good agreement with previous estimates in the source.

研究动机与目标

• 利用高灵敏度观测，推导前恒星核L1544中分子离子及其氘代同位素体的空间分辨柱密度图。
• 通过结合非-LTE辐射转移与化学模型约束，更精确地测定N₂H⁺和HCO⁺的氘化分数。
• 研究关键分子物种的激发条件与空间分布，特别关注核心中心区域N₂D⁺的行为。
• 提供N₂D⁺耗竭的观测证据，这是化学模型的关键预测之一，并评估其对电离度估计的影响。
• 通过表征分子丰度与激发条件，为低质量恒星形成过程中空间分辨电离度映射奠定基础。

提出的方法

• 利用IRAM 30米望远镜对N₂H⁺、N₂D⁺、HCO⁺、HC¹⁸O⁺和DCO⁺的多个转动能级进行了高灵敏度单天线观测。
• 采用非-LTE辐射转移代码模拟观测跃迁的激发条件，考虑非热激发与能级布居。
• 利用化学模型输出结果约束分子丰度，作为辐射转移代码的输入，提高柱密度推导的可靠性。
• 逐条测量激发温度，结果显示高-J跃迁的激发温度（≈1–2 K）低于低-J跃迁。
• 氘化比（D/H）计算为氘代物种与非氘代对应物的柱密度之比，不确定性由观测与建模误差传播得到。
• 分析中考虑了HC¹⁸O⁺的选择性光致离解，由于其自屏蔽效应较弱，能更深入穿透核心，影响其空间分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 L1544中N₂H⁺、N₂D⁺、HCO⁺及其氘代同位素体的空间分辨柱密度分布如何？
• RQ2 N₂H⁺与HCO⁺的氘化比在核心内如何变化？它们揭示了电离度与化学演化怎样的信息？
• RQ3 如化学模型所预测，L1544中心区域是否存在N₂D⁺耗竭？这对核心的物理与化学结构有何含义？
• RQ4 非-LTE效应及跃迁间激发温度的变化在多大程度上影响分子丰度与氘化水平的推导？
• RQ5 HC¹⁸O⁺的选择性光致离解在多大程度上影响其观测柱密度分布与HCO⁺的对比？

主要发现

• 非-LTE分析证实，L1544中分子离子的高-J跃迁表现出约1–2 K的激发温度，低于低-J跃迁的激发温度。
• 最佳拟合的化学模型预测L1544中心区域N₂H⁺显著耗竭，N₂D⁺耗竭程度较弱，首次提供了前恒星核中N₂D⁺耗竭的观测证据。
• N₂H⁺的氘化比测定为D/H = 0.26⁺⁰.¹⁵₋₀.¹⁴，与先前估计一致，表明核心内区存在强烈的氘素分馏。
• HCO⁺的氘化比为D/H = 0.035⁺⁰.⁰¹⁵₋₀.⁰¹²，低于N₂H⁺，反映出其对冻结与耗竭更强的敏感性。
• D/H分布图呈紧凑状，峰值位于尘埃连续成分峰值处，且N₂H⁺的氘化程度下降快于HCO⁺，这是由于两者的冻结行为与氘代物种空间分布差异所致。
• 模型预测与观测丰度之间存在差异，为匹配观测结果，N₂H⁺与N₂D⁺的预测丰度需提高最多达300%，表明当前化学模型存在局限性，或存在尚未考虑的物理过程。