[论文解读] Seeds of Life in Space (SOLIS) III. Formamide in protostellar shocks: evidence for gas-phase formation

C. Codella, C. Ceccarelli+48 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 41被引用 45

一句话总结

本研究利用高分辨率NOEMA干涉测量技术观测了L1157-B1原恒星激波中的甲酰胺（NH₂CHO），发现其辐射在空间上呈分离分布且蓝移，线宽FWHM约为~5 km s⁻¹。化学模型证实甲酰胺主要通过气相反应形成，特别是NH₂ + H₂CO，从而排除了以表面固相反应为主导的可能性，为类太阳恒星形成区中这一前生命分子的气相合成提供了直接证据。

ABSTRACT

Context: Modern versions of the Miller-Urey experiment claim that formamide (NH$_2$CHO) could be the starting point for the formation of metabolic and genetic macromolecules. Intriguingly, formamide is indeed observed in regions forming Solar-type stars as well as in external galaxies. Aims: How NH$_2$CHO is formed has been a puzzle for decades: our goal is to contribute to the hotly debated question of whether formamide is mostly formed via gas-phase or grain surface chemistry. Methods: We used the NOEMA interferometer to image NH$_2$CHO towards the L1157-B1 blue-shifted shock, a well known interstellar laboratory, to study how the components of dust mantles and cores released into the gas phase triggers the formation of formamide. Results: We report the first spatially resolved image (size $\sim$ 9", $\sim$ 2300 AU) of formamide emission in a shocked region around a Sun-like protostar: the line profiles are blueshifted and have a FWHM $\simeq$ 5 km s$^{-1}$. A column density of $N_{ m NH_2CHO}$ = 8 $ imes$ 10$^{12}$ cm$^{-1}$, and an abundance (with respect to H-nuclei) of 4 $ imes$ 10$^{-9}$ are derived. We show a spatial segregation of formamide with respect to other organic species. Our observations, coupled with a chemical modelling analysis, indicate that the formamide observed in L1157-B1 is formed by gas-phase chemical process, and not on grain surfaces as previously suggested. Conclusions: The SOLIS interferometric observations of formamide provide direct evidence that this potentially crucial brick of life is efficiently formed in the gas-phase around Sun-like protostars.

研究动机与目标

• 确定甲酰胺（NH₂CHO）在原恒星激波中的形成机制，特别是其是否通过气相或表面固相化学反应形成。
• 利用高角分辨率干涉测量技术，解析L1157-B1蓝移激波区域中甲酰胺辐射的空间分布与运动学特征。
• 通过化学模拟测试观测到的丰度及时间演化与所提出的形成路径的一致性。
• 评估含自由基（如NH₂和H₂CO）的气相反应在原恒星环境中形成复杂有机分子的作用。
• 通过提供甲酰胺高效气相形成的确凿证据，挑战星际复杂有机分子（iCOMs）以表面固相化学为主导的主流理论。

提出的方法

• 利用NOEMA干涉仪对L1157-B1蓝移激波区域的甲酰胺（NH₂CHO）进行了高光谱与高空间分辨率观测。
• 通过分析观测到的谱线轮廓，推导出其速度结构、FWHM（约~5 km s⁻¹）及空间范围（约9角秒，~2300 AU）。
• 根据发射线强度，推导出甲酰胺的柱密度为N_NH₂CHO = 8 × 10¹² cm⁻²，相对于H核的丰度为4 × 10⁻⁹。
• 采用时间依赖的化学网络模型，模拟冲击波通过后甲酰胺与乙醛（CH₃CHO）丰度的演化过程。
• 模型测试了多种形成路径，包括气相反应（如NH₂ + H₂CO → NH₂CHO + H）和表面固相路径，并将预测丰度与观测结果进行比较。
• 通过调整模型以匹配NH₂CHO与CH₃CHO丰度比的时间演化，对密度和宇宙射线电离率进行了敏感性测试。

实验结果

研究问题

• RQ1 原恒星激波中的甲酰胺是否主要通过气相反应或表面固相化学形成？
• RQ2 甲酰胺在L1157-B1激波区域的空间与运动学分布如何？
• RQ3 甲酰胺丰度相对于乙醛的时间演化是否支持气相形成机制？
• RQ4 简单的化学模型能否再现激波气体中观测到的丰度比与时间趋势？
• RQ5 观测结果对激波区域宇宙射线电离率与气体密度设定了何种约束？

主要发现

• 首次获得了原恒星激波中甲酰胺辐射的空间分辨图像，其尺寸约为~9角秒（~2300 AU），且谱线轮廓呈蓝移，FWHM约为~5 km s⁻¹。
• 推导出的甲酰胺柱密度为N_NH₂CHO = 8 × 10¹² cm⁻²，相对于H核的丰度为4 × 10⁻⁹。
• 甲酰胺在空间上明显与其它有机分子分离，表明其具有不同的形成环境或机制。
• 化学模型证实，观测到的甲酰胺丰度及其时间演化最符合气相反应路径，特别是NH₂ + H₂CO → NH₂CHO + H这一反应。
• 模型结果排除了表面固相形成作为主导路径的可能性，因为其他情景无法再现NH₂CHO与CH₃CHO丰度比的时间演化。
• 模型推导出的冲击区SHOCK 1与SHOCK 3之间约700年的年龄差异，与约2000年的动力学年龄估计一致，支持了模型的有效性。