[论文解读] The Infrared Band Strengths of H2o, Co and Co2 in Laboratory Simulations of Astrophysical Ice Mixtures

P. A. Gerakines, W. A. Schutte+2 more|ArXiv.org|Sep 28, 1994

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 102

一句话总结

本研究采用一种新颖的同步沉积技术，对星际冰混合物中的H2O、CO和CO2进行了高精度的红外吸收带强度实验室测量，将误差降低至10%以下。研究发现，CO和H2O的带强度对冰基质组成的依赖性较弱，且CO的温度依赖性显著小于以往报道，由此对致密云中星际冰的柱密度估计值进行了修正，对致密云中分子丰度测定具有重大影响。

ABSTRACT

Infrared spectroscopic observations toward objects obscured by dense cloud material show that H$_2$O, CO and, likely, CO$_2$ are important constituents of interstellar ice mantles. In order to accurately calculate the column densities of these molecules, it is important to have good measurements of their infrared band strengths in astrophysical ice analogs. We present the results of laboratory experiments to determine these band strengths. Improved experimental methods, relying on simultaneous independent depositions of the molecule to be studied and of the dominating ice component, have led to accuracies better than a few percent. Furthermore, the temperature behavior of the infrared band strengths of CO and H$_2$O are studied. In contrast with previous work, the strengths of the CO, CO$_2$, and H$_2$O infrared features are found to depend only weakly on the composition of the ice matrix, and the reversible temperature dependence of the CO band is found to be weaker than previously measured for a mixture of CO in H$_2$O.

研究动机与目标

• 提高星际冰模拟物中H2O、CO和CO2的红外吸收带强度测量精度，这对于确定致密云环境中分子柱密度至关重要。
• 通过采用同步沉积技术，解决以往方法中存在的系统误差，如气体混合不均匀、蒸气压随温度变化以及质量依赖性沉积速率等问题。
• 量化冰基质组成和温度对带强度的影响，特别是对H2O和CO的影响，这两者是星际冰包膜中的关键分子。
• 提供经修订的、更可靠的带强度值，可用于解释ISO及其他红外观测中嵌入原恒星和致密分子云的观测结果。

提出的方法

• 采用双管沉积系统，将目标分子（H2O、CO或CO2）与主要冰组分（如H2O或CO）同时沉积在冷基底上，确保冰中分子比例的精确控制。
• 测量混合冰中带强度与纯冰中带强度的比值（A/A_pure），利用已知且准确的纯冰带强度值对混合冰结果进行校准。
• 使用透射红外光谱法获取吸收光谱，避免镜面反射技术可能引起的干扰损失，后者会扭曲吸收峰强度。
• 在10–100 K的温度范围内开展实验，评估带强度的热依赖性，特别是对CO的影响。
• 应用基于立方晶格中H2O单体、二聚体和三聚体统计浓度的半经验模型，解释因稀释导致的带强度降低现象。
• 将结果与文献中纯冰带强度的已知值进行校准，并在可能的情况下与先前测量结果进行一致性验证（例如，CO2在CO基质中的情况）。

实验结果

研究问题

• RQ1 星际冰模拟物中H2O、CO和CO2的红外吸收带强度如何依赖于冰基质的组成？
• RQ2 冰的温度在多大程度上影响CO的带强度？与以往测量结果相比有何差异？
• RQ3 H2O被非极性分子（CO和CO2）稀释后，其3.0 μm O–H伸缩振动带的强度如何变化？
• RQ4 通过同步沉积技术能否解决以往带强度测量中因沉积方法引起的偏差？

主要发现

• 在H2O:CO冰混合物中，CO在4.67 μm处的带强度表现出极弱的温度依赖性，当温度从10 K升高到100 K时仅降低17%，显著低于以往使用镜面反射技术报道的33%降低幅度。
• 在1.6:1 H2O:CO2混合物中，H2O在3.0 μm处的带强度降低至纯冰值的88%；在2.1:1 H2O:CO混合物中降低至75%，与基于H2O聚集体形成的半经验模型一致。
• 在不同冰基质（极性和非极性）中，CO、CO2和H2O的带强度仅对基质组成表现出微弱依赖性，表明基质效应小于以往假设的水平。
• 在100 K时，CO的带强度修订为1.0 × 10⁻¹⁷ cm molecule⁻¹，略低于10 K时测得的1.1 × 10⁻¹⁷ cm molecule⁻¹，表明应使用温度依赖性值重新计算极性冰中CO的柱密度。
• 极性冰包膜中CO的柱密度现估计为先前计算值的1.7倍，而CO2的柱密度为先前值的3.7倍，更符合观测到的丰度。
• 对于H2O柱密度的测定，只要非极性物种的丰度低于约30%，纯冰带强度值仍适用；当非极性组分含量超过约60%时，稀释效应才变得显著。