[论文解读] The IRAM-30m line survey of the Horsehead PDR: III. High abundance of complex (iso-)nitrile molecules in UV-illuminated gas

P. Gratier, J. Pety+5 more|May 10, 2013

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 61被引用 37

一句话总结

本研究利用IRAM-30m对马头星云PDR的观测，在毫米波段首次清晰检测到星际介质中的甲基异氰酸酯（CH₃NC）。观测显示，CH₃CN在紫外照射的PDR中比在遮蔽的致密核心中多出30倍，尽管存在光致离解风险，这一反常现象被归因于紫外辐射或冲击引起的冰粒包膜中复杂腈类物质的脱附作用。

ABSTRACT

Complex (iso-)nitrile molecules, such as CH3CN and HC3N, are relatively easily detected in our Galaxy and in other galaxies. We constrain their chemistry through observations of two positions in the Horsehead edge: the photo-dissociation region (PDR) and the dense, cold, and UV-shielded core just behind it. We systematically searched for lines of CH3CN, HC3N, C3N, and some of their isomers in our sensitive unbiased line survey at 3, 2, and 1mm. We derived column densities and abundances through Bayesian analysis using a large velocity gradient radiative transfer model. We report the first clear detection of CH3NC at millimeter wavelength. We detected 17 lines of CH3CN at the PDR and 6 at the dense core position, and we resolved its hyperfine structure for 3 lines. We detected 4 lines of HC3N, and C3N is clearly detected at the PDR position. We computed new electron collisional rate coefficients for CH3CN, and we found that including electron excitation reduces the derived column density by 40% at the PDR position. While CH3CN is 30 times more abundant in the PDR than in the dense core, HC3N has similar abundance at both positions. The isomeric ratio CH3NC/CH3CN is 0.15+-0.02. In the case of CH3CN, pure gas phase chemistry cannot reproduce the amount of CH3CN observed in the UV-illuminated gas. We propose that CH3CN gas phase abundance is enhanced when ice mantles of grains are destroyed through photo-desorption or thermal-evaporation in PDRs, and through sputtering in shocks. (abridged)

研究动机与目标

• 研究马头星云PDR中紫外照射区与紫外遮蔽区复杂（异）腈类分子的化学过程。
• 确定CH₃CN、HC₃N、C₃N及其异构体在两种不同环境（PDR与致密核心）中的丰度与激发条件。
• 评估电子碰撞在CH₃CN激发中的作用，并校正非局部热动平衡（non-LTE）条件下的丰度测定。
• 评估如CH₃NC/CH₃CN与HC₂NC/HC₃N等异构体比率，以探究星际环境中的形成路径与化学平衡。

提出的方法

• 使用IRAM-30m望远镜在3、2和1 mm波段对PDR与致密核心两个位置进行无偏、高灵敏度的谱线普查。
• 采用贝叶斯分析结合大速度梯度（LVG）辐射转移模型，推导柱密度与丰度。
• 将多个C₃N的弱谱线叠加，以提高信噪比，实现在低信噪比条件下的检测。
• 计算了CH₃CN的新电子碰撞速率系数，以考虑非局部热动平衡条件下电子激发的影响。
• 解析CH₃CN谱线的超精细结构，以提高谱线识别精度与丰度约束。
• 将观测到的异构体比率（如CH₃NC/CH₃CN）与理论预测进行比较，以评估化学路径。

实验结果

研究问题

• RQ1 CH₃CN在紫外照射的PDR中的丰度与在紫外遮蔽的致密核心中相比如何？为何尽管存在光致离解风险，PDR中的CH₃CN丰度反而更高？
• RQ2 CH₃NC的首次星际探测是什么？其与CH₃CN的丰度比与理论预测相比如何？
• RQ3 为何HC₃N在致密核心中的丰度高于PDR？这对其形成与破坏机制有何启示？
• RQ4 电子碰撞在低密度PDR气体中对CH₃CN的激发及推导柱密度的影响有多大？
• RQ5 HC₂NC未被检测到的意义是什么？其丰度上限与其它源中的已知值相比如何？

主要发现

• 首次在毫米波段实现对星际介质中CH₃NC的清晰检测，PDR位置测得的CH₃NC/CH₃CN丰度比为0.15 ± 0.02。
• 尽管PDR中光致离解速率更高，CH₃CN在PDR中的丰度（2.5 × 10⁻¹⁰）仍比致密核心（8 × 10⁻¹²）高出30倍。
• 在PDR中，考虑电子碰撞激发后，CH₃CN的柱密度推导值降低40%（PDR中电子密度为1–5 cm⁻³）。
• HC₃N在PDR与致密核心中的丰度相近（均为8 × 10⁻¹²），但其谱线在致密核心中更强，这是由于激发条件更高。
• 未检测到HC₂NC的谱线，其与HC₃N的丰度比上限小于或等于TMC-1与CRL618中的观测值。
• 观测到的CH₃NC/CH₃CN比值为0.15，处于Defrees等（1985）理论预测的0.1–0.4范围内，支持解离重组过程中异构化平衡的存在。