[论文解读] The Composition and Distribution of Dust Along the Line of Sight Towards the Galactic Center

J. E. Chiar, A. G. G. M. Tielens+6 more|CERN Bulletin|Feb 23, 2000

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 5

一句话总结

本研究利用ISO短波长光谱仪的中红外光谱，分析银河系中心视线方向上尘埃和冰的成分与分布。研究识别出氢化非晶碳（HAC）是3.4、6.85和7.25 µm处脂肪族碳氢化合物特征的载体，同时在GCS3中检测到芳香族碳氢化合物；而Sgr A*表现出强烈的冰特征，表明存在大量分子云物质，其中包含H2O、CO2、CH4和HCOOH。

ABSTRACT

We discuss the composition of dust and ice along the line of sight to the Galactic Center (GC) based on analysis of mid-infrared spectra (2.4-13 micron) from the Short Wavelength Spectrometer on the Infrared Space Observatory (ISO). We have analyzed dust absorption features arising in the molecular cloud material and the diffuse interstellar medium along the lines of sight toward Sagittarius A* and the Quintuplet sources, GCS3 and GCS4. It is evident from the depth of the 3.0 micron H2O and the 4.27 micron CO2 ice features that there is more molecular cloud material along the line of sight toward Sgr A* than GCS3 and 4. In fact, Sgr A* has a rich infrared ice spectrum with evidence for the presence of solid CH4, NH3, and possibly HCOOH. Hydrocarbon dust in the diffuse interstellar medium along the line of sight to the GC is characterized by absorption features centered at 3.4, 6.85, and 7.25 micron. Ground-based studies have identified the 3.4 micron feature with aliphatic hydrocarbons, and ISO has given us the first meaningful observations of the corresponding modes at longer wavelengths. The integrated strengths of these three features suggest that hydrogenated amorphous carbon is their carrier. We attribute an absorption feature centered at 3.28 micron in the GCS3 spectrum to the C-H stretch in aromatic hydrocarbons. This feature is not detected, and its C-C stretch counterpart appears to be weaker, in the SgrA* spectrum. One of the key questions which now arises is whether aromatics are a widespread component of the diffuse interstellar medium, analogous to aliphatic hydrocarbons.

研究动机与目标

• 利用中红外光谱学方法，确定银河系中心视线方向上星际尘埃和冰的成分。
• 区分弥漫星际介质与分子云物质在Sgr A*及其他源方向消光中的贡献。
• 识别3.4、6.85和7.25 µm处关键吸收特征的载体，并评估其在脂肪族与芳香族碳氢化合物中的起源。
• 量化冰柱密度，并与NGC 7538 IRS9等其他源比较，以理解致密环境中的化学演化。

提出的方法

• 分析红外空间天文台（ISO）短波长光谱仪（SWS）对Sgr A*、GCS3和GCS4的中红外光谱（2.4–13 µm）。
• 使用局部二次多项式连续谱拟合吸收特征，以推导光学深度和积分带强度。
• 将观测到的光谱特征与HAC、冰混合物（H2O、CO2、CH4、NH3、HCOOH）及多环芳烃（PAHs）的实验室光谱进行比较，以识别载体。
• 利用光学深度比值（如A(6.85)/A(7.25)）约束碳氢化合物载体的分子结构。
• 基于已知振子强度和冰带强度，从光学深度测量值估算冰柱密度。
• 将Sgr A*中的冰丰度与NGC 7538 IRS9中的丰度进行交叉比较，以评估不同星际环境中化学差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系中心视线方向上尘埃和冰的成分是什么？Sgr A*、GCS3和GCS4之间有何差异？
• RQ2 在银河系中心弥漫星际介质中，3.4 µm、6.85 µm和7.25 µm吸收特征的载体是什么？
• RQ3 与GCS3和GCS4相比，分子云组分在Sgr A*方向消光中所占比例有多大？
• RQ4 芳香族碳氢化合物是否在弥漫星际介质中占显著比例，如GCS3中3.28 µm特征所示？
• RQ5 银河系中心中冰（H2O、CO2、CH4、HCOOH）的相对丰度与NGC 7538 IRS9等其他恒星形成区相比如何？

主要发现

• 弥漫星际介质中3.4 µm、6.85 µm和7.25 µm吸收特征最合理的解释是氢化非晶碳（HAC），其CH2/CH3比值与脂肪族碳氢化合物一致。
• Sgr A*表现出强烈的冰特征，H2O在3.0 µm处的光学深度为τ(3.0 µm) = 0.50 ± 0.01，CO2在4.27 µm处的光学深度为τ(4.27 µm) = 0.70 ± 0.01，表明视线方向存在大量分子云物质。
• Sgr A*方向的冰柱密度为N(H2O) = 12.4 × 10^17 cm⁻²，N(CO2) = 1.7 × 10^17 cm⁻²，N(CH4) = 0.30 × 10^17 cm⁻²，N(HCOOH) = 0.8 × 10^17 cm⁻²，其中CH4和HCOOH的相对丰度分别为H2O的2%和6%。
• GCS3中3.28 µm特征归因于芳香族碳氢化合物中的C-H伸缩振动，其τ(3.28 µm) = 0.026 ± 0.005，积分面积为0.8 ± 0.3 cm⁻¹；而6.2 µm处的C-C伸缩振动强度高于冰基质模型的预期。
• 6.85 µm与7.25 µm强度比值（2.3）与支链脂肪族碳氢化合物一致，支持HAC作为载体；此外，Sgr A*中3.4 µm特征未表现出偏振，排除了硅酸盐表面包覆层的起源。
• 与NGC 7538 IRS9相比，Sgr A*中NH3（20–30%）和HCOOH（6%）的相对丰度更高，而CO（≤12%）丰度更低，表明银河系中心环境中的化学处理过程具有独特性。