[论文解读] Probing non polar interstellar molecules through their protonated form: Detection of protonated cyanogen (NCCNH+)

M. Agúndez, J. Cernicharo+20 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2015

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 44被引用 88

一句话总结

本研究利用射电望远镜首次在星际空间探测到质子化氰基自由基（NCCNH⁺），在寒冷暗云TMC-1和L483中识别出其J = 5−4和J = 10−9的转动能级跃迁。该探测证实了非极性氰基自由基（NCCN）的存在，后者因无永久偶极矩而无法通过常规射电天文手段探测，方法是通过其质子化形式进行间接探测，推断的NCCN丰度相对H₂可达(1–10) × 10⁻⁸。

ABSTRACT

Cyanogen (NCCN) is the simplest member of the series of dicyanopolyynes. It has been hypothesized that this family of molecules can be important constituents of interstellar and circumstellar media, although the lack of a permanent electric dipole moment prevents its detection through radioastronomical techniques. Here we present the first solid evidence of the presence of cyanogen in interstellar clouds through the detection of its protonated form toward the cold dark clouds TMC-1 and L483. Protonated cyanogen (NCCNH+) has been identified through the J=5-4 and J=10-9 rotational transitions using the 40m radiotelescope of Yebes and the IRAM 30m telescope. We derive beam averaged column densities for NCCNH+ of (8.6+/-4.4)e10 cm-2 in TMC-1 and (3.9+/-1.8)e10 cm-2 in L483, which translate to fairly low fractional abundances relative to H2, in the range (1-10)e-12. The chemistry of protonated molecules in dark clouds is discussed, and it is found that, in general terms, the abundance ratio between the protonated and non protonated forms of a molecule increases with increasing proton affinity. Our chemical model predicts an abundance ratio NCCNH+/NCCN of 1e-4, which implies that the abundance of cyanogen in dark clouds could be as high as (1-10)e-8 relative to H2, i.e., comparable to that of other abundant nitriles such as HCN, HNC, and HC3N.

研究动机与目标

• 探测缺乏永久偶极矩、无法通过常规射电天文手段探测的非极性星际分子（如氰基自由基NCCN）。
• 检验假设：此类分子的质子化形式可在寒冷星际环境中作为间接示踪剂。
• 利用观测到的NCCNH⁺辐射和化学模型，约束暗云中氰基自由基的丰度。
• 评估质子亲和能及离子-分子反应网络在寒冷致密云中质子化物种化学行为中的作用。

提出的方法

• 利用40米Yebes射电望远镜和IRAM 30米望远镜，对NCCNH⁺的J = 5−4（44.4 GHz）和J = 10−9（88.8 GHz）转动能级跃迁进行观测。
• 采用高光谱分辨率（50 kHz和6 kHz）的频率切换模式进行谱线巡天，以探测弱发射线。
• 通过天空和热负载测量校准天线温度，基于大气模型和气象数据进行光学厚度修正。
• 根据积分线强度推导出波束平均柱密度，考虑波束效率和主波束亮度温度转换。
• 使用UMIST RATE12化学网络进行化学建模，模拟在暗云条件下NCCNH⁺和NCCN的时间依赖丰度。
• 计算并比较[NCCNH⁺]/[NCCN]丰度比与观测数据，以推断真实的NCCN丰度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在寒冷暗云中探测到非极性星际分子（如氰基自由基NCCN）的质子化形式？
• RQ2 在探测到其质子化形式NCCNH⁺的前提下，星际环境中氰基自由基（NCCN）的推断丰度是多少？
• RQ3 分子的质子亲和能如何影响寒冷致密星际云中[MH⁺]/[M]的丰度比？
• RQ4 当前化学模型在多大程度上能准确预测NCCNH⁺的生成与消亡路径？
• RQ5 化学网络中是否存在缺失的生成路径，可解释观测到的与模型预测的NCCNH⁺丰度之间的差异？

主要发现

• 在TMC-1和L483中探测到NCCNH⁺的J = 5−4和J = 10−9转动能级跃迁，波束平均柱密度分别为(8.6 ± 4.4) × 10¹⁰ cm⁻²和(3.9 ± 1.8) × 10¹⁰ cm⁻²。
• 观测到的NCCNH⁺丰度相对于H₂的分数丰度范围为(1–10) × 10⁻¹²。
• 化学模型预测的[NCCNH⁺]/[NCCN]丰度比约为10⁻⁴，表明NCCN的丰度可能高达(1–10) × 10⁻⁸（相对于H₂）。
• 随着中性分子M的质子亲和能增加，[MH⁺]/[M]丰度比也随之上升，表明在暗云中离子-分子化学存在普遍趋势。
• 模型低估了观测到的NCCNH⁺丰度，提示可能存在缺失的生成路径，或NCCN相关反应速率常数存在不准确之处。
• 研究识别出HC₂S⁺是未来探测的有前途候选者，因其具有高质子亲和能和可测量的偶极矩。