[论文解读] The TMRT K Band Observations towards 26 Infrared Dark Clouds: NH$_{3}$, CCS, and HC$_{3}$N

Jinjin Xie, G. A. Fuller+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 83被引用 23

一句话总结

本研究首次对26个红外暗云（IRDCs）开展了TMRT K波段巡天观测，同时探测了NH₃、CCS和HC₃N，以研究大质量恒星形成的早期阶段。利用超精细结构组比（HFGR）方法，研究发现气体温度为10–18 K，并显示CCS/NH₃柱密度比值小于10⁻²，表明IRDCs化学上较为年轻（≤10⁵ yr），与NAUTILUS化学模型一致。

ABSTRACT

We present one of the first Shanghai Tian Ma Radio Telescope (TMRT) K Band observations towards a sample of 26 infrared dark clouds (IRDCs). We observed the (1,1), (2,2), (3,3), and (4,4) transitions of NH$_{3}$ together with CCS (2$_{1}$-1$_{0}$) and HC$_{3}$N $J\,$=2-1, simultaneously. The survey dramatically increases the existing CCS-detected IRDC sample from 8 to 23, enabling a better statistical study of the ratios of carbon-chain molecules (CCM) to N-bearing molecules in IRDCs. With the newly developed hyperfine group ratio (HFGR) method of fitting NH$_{3}$ inversion lines, we found the gas temperature to be between 10 and 18 K. The column density ratios of CCS to NH$_{3}$ for most of the IRDCs are less than 10$^{-2}$, distinguishing IRDCs from low-mass star-forming regions. We carried out chemical evolution simulations based on a three-phase chemical model NAUTILUS. Our measurements of the column density ratios between CCM and NH$_{3}$ are consistent with chemical evolutionary ages of $\lesssim$10$^{5}$ yr in the models. Comparisons of the data and chemical models suggest that CCS, HC$_{3}$N, and NH$_{3}$ are sensitive to the chemical evolutionary stages of the sources.

研究动机与目标

• 研究红外暗云（IRDCs）在大质量恒星形成初期的化学演化过程。
• 测量26个IRDCs代表性样本中的气体温度、柱密度和速度弥散度。
• 测定碳链分子（CCMs）如CCS与含氮分子如NH₃的柱密度比值，以评估化学演化阶段。
• 检验观测到的分子丰度与NAUTILUS三阶段化学演化模型预测的一致性。
• 评估CCS和NH₃作为大质量恒星形成区化学年龄示踪剂的可靠性。

提出的方法

• 使用65米上海天马射电望远镜（TMRT）在K波段（18–26.5 GHz）对26个IRDCs进行单点源观测。
• 同时观测NH₃（1,1）、（2,2）、（3,3）、（4,4）的反转跃迁线以及CCS（21→10）和HC₃N（J=2–1）的转动跃迁线。
• 应用超精细结构组比（HFGR）方法拟合NH₃反转线，以精确测定激发温度和光学厚度。
• 使用CLASS/GILDAS软件进行数据处理、基线去除和光谱拟合，光谱分辨率为1.431 kHz。
• 利用配分函数和主波束亮度温度计算柱密度，并应用波束效率和定标校正。
• 使用NAUTILUS模型进行化学演化模拟，将观测到的柱密度比值与演化轨迹进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在26个IRDCs的代表性样本中，物理条件（温度、速度弥散度、柱密度）如何？
• RQ2 IRDCs中CCS与NH₃的柱密度比值与低质量恒星形成区相比有何不同，这对化学演化有何启示？
• RQ3 基于观测到的CCM和含氮分子丰度，这些IRDCs的推断化学演化年龄是多少？
• RQ4 观测到的分子丰度是否与NAUTILUS三阶段化学模型的预测一致？
• RQ5 CCS、HC₃N和NH₃的分布与丰度如何揭示大质量恒星形成早期阶段的特征？

主要发现

• 通过NH₃反转线的HFGR方法，确定26个IRDCs的气体温度在10至18 K之间。
• 大多数IRDCs的CCS/NH₃柱密度比值小于10⁻²，表明碳链分子相对于氨的丰度较低。
• 本巡天将CCS探测到的IRDCs数量从8个增加到23个，使大质量恒星形成区中CCM/含氮分子比值的统计分析成为可能。
• NAUTILUS化学演化模拟表明，观测到的柱密度比值与演化年龄≤10⁵ yr一致。
• 观测到的CCS、HC₃N和NH₃分子丰度对化学演化阶段敏感，支持其作为IRDCs中化学时钟的使用。
• 本研究证实CCS丰度在IRDCs中受到抑制，表明这是大质量恒星形成区的内在特征。