[论文解读] The hot core towards the intermediate mass protostar NGC7129 FIRS 2: Chemical similarities with Orion KL

A. Fuente, J. Cernicharo+9 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2014

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 63被引用 42

一句话总结

本研究利用IRAM高原博尔干涉仪的高分辨率干涉观测数据和单天线数据，调查了中等质量原恒星NGC 7129 FIRS 2的化学成分。结果发现，FIRS 2中的热核心化学特性与大质量猎户座KL热核心相似，尽管在氘化物种和含氮分子方面存在差异，但大多数复杂有机分子的丰度差异在5倍以内，表明尽管物理温度相近（约400 K），初始条件或动力学 timescales 可能导致化学差异。

ABSTRACT

NGC 7129 FIRS 2 (hereafter FIRS 2) is an intermediate-mass (2 to 8 Msun) protostar located at a distance of 1250 pc. High spatial resolution observations are required to resolve the hot core at its center. We present a molecular survey from 218200 MHz to 221800 MHz carried out with the IRAM Plateau de Bure Interferometer. These observations were complemented with a long integration single-dish spectrum taken with the IRAM 30m telescope. We used a Local Thermodynamic Equilibrium (LTE) single temperature code to model the whole dataset. The interferometric spectrum is crowded with a total of ~300 lines from which a few dozens remain unidentified yet. The spectrum has been modeled with a total of 20 species and their isomers, isotopologues and deuterated compounds. Complex molecules like methyl formate (CH3OCHO), ethanol (CH3CH2OH), glycolaldehyde (CH2OHCHO), acetone (CH3COCH3), dimethyl ether (CH3OCH3), ethyl cyanide (CH3CH2CN) and the aGg' conformer of ethylene glycol (aGg'-(CH2OH)_2) are among the detected species. The detection of vibrationally excited lines of CH3CN, CH3OCHO, CH3OH, OCS, HC3N and CH3CHO proves the existence of gas and dust at high temperatures. In fact, the gas kinetic temperature estimated from the vibrational lines of CH3CN, ~405 K, is similar to that measured in massive hot cores. Our data allow an extensive comparison of the chemistry in FIRS~2 and the Orion hot core. We find a quite similar chemistry in FIRS 2 and Orion. Most of the studied fractional molecular abundances agree within a factor of 5. Larger differences are only found for the deuterated compounds D2CO and CH2DOH and a few molecules (CH3CH2CN, SO2, HNCO and CH3CHO). Since the physical conditions are similar in both hot cores, only different initial conditions (warmer pre-collapse phase in the case of Orion) and/or different crossing time of the gas in the hot core can explain this behavior.

研究动机与目标

• 确定中等质量（2–8 M⊙）热核心NGC 7129 FIRS 2的化学成分，该对象是连接低质量和高质量恒星形成的关键天体。
• 将FIRS 2的化学特性与大质量猎户座KL热核心进行比较，评估分子丰度的异同。
• 研究物理条件、初始温度结构和动力学 timescales 在塑造热核心化学中的作用。
• 评估氘化和含氮分子在中等质量原恒星中相对于大质量核心的形成作用。
• 估算FIRS 2热核心中的碳预算，并评估甲醇和复杂有机分子作为碳储库的重要性。

提出的方法

• 利用IRAM高原博尔干涉仪（PdBI）在218.2–221.8 GHz频段进行分子普查，以高空间分辨率解析紧凑热核心。
• 通过IRAM 30米望远镜在维莱塔峰的长时间积分单天线谱数据补充干涉数据，以改善谱线识别和通量定标。
• 应用局部热动平衡（LTE）单温度辐射转移代码对整个数据集进行建模，拟合20种物种（包括同位素体和氘代化合物）的转动跃迁。
• 利用CH₃CN、CH₃OCHO和CH₃OH等分子的振动激发谱线推导气体动能温度，得到约405 K，置信区间为-67至+100 K。
• 对FIRS 2与猎户座KL之间以CH₃OH为基准的分子分数丰度进行详细比较，识别偏差及其潜在原因。
• 通过累加检测到的分子柱密度并对比CO和C¹⁸O，估算碳预算，同时考虑光学厚度效应和 beam-filling 因子。

实验结果

研究问题

• RQ1 中等质量热核心NGC 7129 FIRS 2中复杂有机分子（COMs）的丰度与大质量猎户座KL热核心相比如何？
• RQ2 FIRS 2热核心中的气体动能温度是多少？与猎户座KL等其他热核心中的温度相比如何？
• RQ3 为何某些分子（如CH₃CH₂CN、HNCO、SO₂、CH₂DOH、D₂CO和CH₃CHO）在FIRS 2与猎户座KL之间表现出显著的丰度差异，尽管物理条件相似？
• RQ4 在预塌缩和塌缩阶段的初始热力学条件在多大程度上影响热核心中观测到的化学组成？
• RQ5 FIRS 2热核心中总碳的多少比例被锁存在复杂有机分子中？与太阳丰度相比如何？

主要发现

• 基于CH₃CN的振动激发谱线，FIRS 2热核心的气体动能温度估计为405 K，置信区间为-67至+100 K，表明其处于与大质量热核心相当的高温环境。
• 共检测到300条谱线，约20种物种及其同位素体和氘代形式被识别，包括甲酸甲酯、乙醇、甘油醛、丙酮、二甲醚、乙基氰化物以及乙二醇的G构象异构体等复杂分子。
• FIRS 2中大多数分子相对于CH₃OH的分数丰度与猎户座KL在5倍以内，表明化学成分总体相似。
• 在CH₃CH₂CN、HNCO和SO₂方面发现显著偏差（在猎户座KL中更丰富），而CH₂DOH、D₂CO和CH₃CHO则在FIRS 2中更丰富，提示其形成路径或初始条件存在差异。
• 碳预算分析显示，甲醇贡献了约3.4 × 10²⁰ cm⁻²的碳，检测到的分子中总碳含量达到约4 × 10²⁰ cm⁻²，但仅占H核总数的约1.0 × 10⁻⁵，远低于太阳C/H比值（约3.6 × 10⁻⁴），表明复杂有机分子并非主要的碳储库。
• C¹⁸O发射可能光学厚，暗示其发射区域直径约为0.15弧秒，热核心中CO柱密度超过10²² cm⁻²，与高密度条件一致。