[论文解读] The essential elements of dust evolution: A viable solution to the interstellar oxygen depletion problem?

A. P. Jones, N. Ysrad|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2019

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 102被引用 5

一句话总结

该论文提出，银河系致密云中星际氧的耗竭可通过非晶碳质尘埃中形成一种隐藏的有机碳酸盐相（–O–C(=O)–O–）来解释，该相可固定10–20%的碳，并导致170–255 ppm的氧未被计入。该相在视觉消光约为1时，于富含脂肪族的a-C:H包膜累积过程中形成，其光解分解可能解释星际介质中CO₂的形成。

ABSTRACT

There remain many open questions relating to the depletion of elements into dust, e.g., exactly how are C and O incorporated into dust in dense clouds and, in particular, what drives the disappearance of oxygen in the denser interstellar medium? This work is, in part, an attempt to explain the apparently anomalous incorporation of O atoms into dust in dense clouds. We re-visit the question of the depletion of the elements incorporated into the carbonaceous component of interstellar dust, i.e., C, H, O, N and S, in the light of recent analyses of the organics in comets, meteorites and interplanetary dust particles. We find that oxygen could be combined with ~ 10 to 20 % of the carbon in the dust in dense regions in the form of a difficult to observe, organic carbonate, which could explain the unaccounted for 170-255 ppm oxygen depletion. We conclude that, while C, O and N atoms are depleted into an amorphous a-C:H:O:N phase, we posit that a significant fraction of C and O atoms could be sequestered into an organic carbonate, which provides a viable solution to the oxygen depletion problem. Further, the thermal or photolytic decomposition of this carbonate may have a bearing on the formation of CO_2 in the ISM.

研究动机与目标

• 解决长期以来致密云中星际氧耗竭的问题，即约1/3至1/2的宇宙氧在气相丰度测量中似乎缺失。
• 研究碳质尘埃中氧的化学形态，特别是其是否以一种此前未被识别的、稳定的有机碳酸盐相形式存在。
• 探讨此类相在星际冰中CO₂形成及彗星物质中观测到的有机组成中的影响。
• 挑战将星际“冰”吸收特征完全归因于分子物种的假设，提出大分子有机尘埃组分也可能有贡献。
• 为未来观测和实验室验证星际有机碳酸盐提供一个可检验的假说。

提出的方法

• 利用来自彗星、陨石和星际尘埃颗粒（IDPs）的最新数据，重新评估星际尘埃中的元素耗竭模式。
• 在从稀疏到致密星际介质的过渡阶段（视觉消光A_V ~1），模拟一种包含嵌入有机碳酸盐（–O–C(=O)–O–）的非晶a-C:H:O:N尘埃相的形成。
• 利用对O/C和O/N比值的理论与观测约束，推断所提议碳酸盐相的化学稳定性和丰度。
• 提出使用X射线K边吸收光谱学（E > 0.2 keV）作为检测透明或分子云中有机碳酸盐的手段，尤其适用于冰包膜较少的视线方向。
• 模拟有机碳酸盐的热解和紫外光解分解，以评估其在释放CO₂和形成类彗星有机物中的作用。
• 将该假说整合进THEMIS尘埃演化模型，以检验其与观测到的尘埃特性及元素耗竭的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 星际尘埃中何种化学相可解释致密云中约170–255 ppm未被解释的氧耗竭？
• RQ2 有机碳酸盐（–O–C(=O)–O–）相的形成是否能在不过度耗竭碳的情况下，解释星际尘埃中观测到的O/C和O/N比值？
• RQ3 此类碳酸盐相的光解分解在多大程度上可解释星际冰中观测到的CO₂丰度？
• RQ4 当前对星际“冰”吸收特征的解释在多大程度上忽略了大分子有机尘埃组分的贡献？
• RQ5 哪些观测和实验室策略可明确检测或排除星际有机碳酸盐的存在？

主要发现

• 大量星际氧——170–255 ppm——在气相丰度测量中未被计入，表明其被纳入一种隐藏的、富含氧的固态相。
• 所提出的有机碳酸盐相（–O–C(=O)–O–）可在致密区域结合高达10–20%的碳，使O/C比达到最大值（3:1），同时最小化碳的耗竭。
• 该相的形成与尘埃演化模型一致，发生在视觉消光A_V ~1时，即富含脂肪族的a-C:H包膜累积阶段。
• 该有机碳酸盐的光解分解可解释星际冰中观测到的CO₂丰度，为长期存在的形成难题提供解决方案。
• 该碳酸盐相的分解产物与罗塞塔号上ROSINA和COSAC探测器在彗发中检测到的复杂有机分子相似，支持其在太阳系化学中的相关性。
• 在E > 0.2 keV能量下的X射线K边吸收光谱学为检测空间中有机碳酸盐特征提供了一条有希望但技术上具有挑战性的途径，尤其适用于冰包膜较少的视线方向。