Observations of nitrogen isotope fractionation in deeply embedded protostars
类地行星、彗星和陨石与太阳和木星相比,15 N含量显著富集。虽然太阳和木星的氮同位素比率被认为代表了原太阳星云的组成,但一个尚未确定的过程导致了固体中的15 N富集。已经提出了几种机制来解释这些变化,包括化学分馏。然而,限制分馏模型的观测结果很少。虽然有证据表明星前核中的15 N富集,但尚不清楚该特征如何演变成原恒星阶段。我们的目标是测量附近三颗嵌入式中低质量原恒星周围的14 N/15 N比值。HCN和HNC的同位素体用于探测14 N/15 N比率。用APEX望远镜观测到H13 CN、HC 15 N、HN 13 C和H15 NC跃迁。假设标准12 C/13 C比率,从积分强度导出14 N/15 N比率。利用辐射转移模型和超精细结构拟合验证了光学薄发射的假设。两个来源,IRAS 16293 A和R CrA IRS 7 B,显示15 N-富集的因素约1.5-2.5在HCN和HNC相对于太阳的组成。对于第三个来源,OMC-3 MMS 6,不能排除太阳成分。此外,有迹象表明,随着外壳温度的增加,14 N/15 N比值有增加的趋势。在两个0类源中发现的HCN和HNC中15 N丰度的增加(14 N/15 N为160-290)以及14 N/15 N比值随温度变化的趋势与化学分馏情景一致,但来自额外示踪剂的14 N/15 N比值对于检验模型是不可或缺的。空间分辨观测需要区分化学分馏和同位素选择性光…
2014-08-01 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Nitrogen fractionation in ammonia and its insights on nitrogen chemistry
本研究通过观测三个不同演化阶段天体源的氨同位素,验证了前恒星核氨冰富集$^{15}$N的假说,明确了星际氮分馏的形成机制与氨的主要生成路径。
2023-05-29 astro-ph.GA astro-ph.SR
Isotopic Anomalies in Primitive Solar System Matter: Spin-state Dependent Fractionation of Nitrogen and Deuterium in Interstellar Clouds
在陨石和行星际尘埃颗粒中发现的有机物质富含D和15 N。这与携带这些同位素异常的官能团(腈和胺)是由原太阳星云中的离子分子化学形成的想法一致。低温下星际分馏的理论模型预测D和15 N都有很大的富集,可以解释碳质陨石中测得的最大同位素富集。然而,最近的测量表明,在一些原始样品中,大的15 N富集与D中的一个不相关,并且一些富含D的原始材料显示很少(如果有的话)15 N富集。通过考虑自旋状态的依赖性,在涉及的邻位和对位形式的H2的离子-分子反应中,我们表明,氨和相关分子可以表现出这样一个广泛的分馏15 N和D在致密的云核。我们还表明,虽然腈,HCN和HNC,含有最大的15 N富集,这是不相关的极端D富集。因此,这些计算支持太阳系15 N和D同位素异常具有星际遗产的观点。我们还将我们的结果与现有的天文观测结果进行了比较,并简要讨论了未来对该模型的测试。
2012-08-01 astro-ph.EP astro-ph.SR
The nitrogen carrier in protoplanetary disks
在原行星盘中,氮元素的主要储存库还没有被观测到。可能的候选物是HCN、NH $_3$和N $_2$。这些载体的相对丰度决定了星子的组成,作为磁盘半径的函数,由于其波动性的强烈差异。将氮大量封存在比N $_2$挥发性更低的载体中,可能需要将甚至少量的氮输送到地球和潜在的可居住的系外行星。虽然在内盘($<10$ au)中检测到少量HCN,但迄今为止仅获得了内盘NH $_3$的相对不敏感的上限。我们提出了新的Gemini-TEXES高分辨率光谱的10.75 $μ$ m波段的温暖NH $_3$,并使用2维辐射转移模型,以提高以前的上限由一个数量级的$\rm [NH_3/H_{nuc}]<10^{-7}$在1 AU。这些NH $_3$丰度明显低于那些典型的冰在拱星信封($[{\rm NH_3/H_{nuc}}]\sim 3\times 10^{-6}$)。我们还一贯检索磁盘内HCN气体丰度使用档案斯皮策光谱,并得出上限HCN冰丰度在原恒星信封使用档案地基4.7 $μ$ m光谱([HCN $_{\rm ice}$ ]/[H $_2$ O $_{\rm ice}$ ] $<1.5-9$ \%)。我们确定的NH $_3$ /HCN的比率作为一个指标的化学演变的磁盘,并使用这个比率表明,磁盘内部的氮是有效地转换从NH $_3$到N $_2$,显着增加了氮的挥发性在行星形成的地区。
2019-02-10 astro-ph.GA astro-ph.SR
15N Fractionation in Infrared-Dark Cloud Cores
氮是宇宙中最丰富的元素之一,它的14 N/15 N同位素比率有可能提供有关太阳形成的初始环境的信息。最近的发现表明,太阳系可能形成于一个巨大的星团,因为陨石中存在的短寿命放射性同位素只能用超新星的影响来解释。该项目的目的是确定冷的、巨大的致密岩心样品在其演化的初始阶段的14 N/15 N比。我们观测了HCN,H13 CN,H15 N,HN 13 C和H15 NC的J=1-0跃迁。IRDC被认为是大质量恒星和星团的前身。假设LTE和15 K的温度,计算HCN、H13 CN、HC 15 N、HN 13 C和H15 NC的柱密度,并确定每个芯的14 N/15 N比。在我们的IRDC核心样品中测量的14 N/15 N比在HCN中介于~70和>763之间,在HNC中介于~161和~541之间。它们与地球大气层(TA)和原太阳星云(PSN)的值一致,并与低质量恒星前核中测量的比值一致。然而,在岩心C1、C3、F1、F2和G2中测得的14 N/15 N比与使用具有腈官能团(-CN)和氮杂环(-NH)的含氮分子对相同块状岩心进行的类似研究的结果不一致,尽管比值范围相似。在4个IRDC中,我们测量到相对较低的14 N/15 N比IRDC G,这与在小宇宙物质和原行星盘中测量的相当。低平均气体密度的云表明,气体密度,而不是气体温度,可能是主导参数影响的初始氮同位素组成的年轻PSN。
2017-05-11 astro-ph.GA astro-ph.SR
Detection of N$_2$D$^+$ in a protoplanetary disk
氘分馏在太阳系中的观测,以及在星际和拱星物质,通常用于限制挥发物的形成环境。对于原行星盘,这种方法受到了检测到的氘分子数量少的限制,即DCO $^+$和DCN。基于ALMA周期2对金牛座T星AS 209周围盘的观测,我们报告了在一个原行星盘中首次探测到N $_2$ D $^+$(J=3-2)。这些数据与以前的N $_2$ H $^+$(J=3-2)的亚毫米阵列观测一起使用,估计盘平均D/H比为0.3- 0.5,比以前导出的其他年轻恒星周围的DCN/HCN和DCO $^+$ /HCO $^+$的盘平均比高一个数量级。N-$_2$ H $^+$中的高分馏与模型预测一致。AS 209中存在丰富的N-$_2$ D $^+$,这也表明,N-$_2$ D $^+$和N-$_2$ D $^+$ /N-$_2$ H $^+$的比值可以发展成为有效的氘化学、运动学和盘CO雪线外电离过程的探针。
2015-08-14 astro-ph.SR
The Effects of Initial Abundances on Nitrogen in Protoplanetary Disks
提供给大多数太阳系天体的氮的主要形式目前尚不清楚,但现有的测量表明,在太阳系岩石和冰中检测到的氮相对于太阳丰度和星际介质来说已经耗尽。我们使用一个详细的化学/物理模型的化学演化的原行星盘,探索含氮分子的演化和丰度。基于这个模型,我们分析了在盘形成的早期阶段以气体或冰形式提供的初始化学丰度如何影响哪些物种在后期阶段成为主要的氮载体。我们发现,磁盘的原子或分子氮的初始氮的大部分是后来占主导地位的原子和分子氮以及NH $_{3}$和HCN冰,其中占主导地位的物种随磁盘半径。当氮最初是气态氨时,它后来被困在氨冰中,除了在原子氮占主导地位的外盘。对于初始氮以氨冰形式存在的圆盘,氮在后面的阶段以NH $_{3}$的形式被捕获在冰中。在这个模型中,大部分的初始氮被放置在原子N中,最符合彗星中观测到的氨丰度。此外,氮的初始状态影响N $_{2}$ H $^{+}$的丰度,这已经在原行星盘中检测到。强N $_{2}$ H $^{+}$发射被认为是指示N $_{2}$丰度大于$n_{\mathrm{N_{2}}}/n_{\mathrm{H_{2}}}>10^{-6}$,除了跟踪CO雪线。我们的模型还表明,NO是潜在的检测,较低的N气体丰度导致较高的NO丰度。
2014-11-05 astro-ph.SR
A tale of two isotopes: Spatial variation in HCN fractionation toward young cores
Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik(马克斯·普朗克地外物理研究所);Centro de Astrobiología (CAB), CSIC-INTA(天体生物学中心(CAB),西班牙国家科学研究委员会-国家航空技术研究所);European Southern Observatory(欧洲南方天文台)
该研究通过观测与模拟分析年轻原核中HCN同位素的空间变化,发现其与H$_2$柱密度相关,源于$^{12}$C/$^{13}$C比变化,提醒需评估该比变化后才可采用双同位素法推导$^{14}$N/$^{15}$N比。
2026-07-30 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Deuterium and $^{15}$N fractionation in N$_2$H$^+$ during the formation of a Sun-like star
虽然化学模型预测N $_2$ H $^+$中的氘分馏是恒星形成过程中一个很好的演化示踪剂,但氮的分馏仍然是一个知之甚少的过程。最近的模型质疑了类似的演变趋势,预计在N $_2$ H $^+$的两个分馏机制,基于一个经典的情况下,在冷气体中发生的离子中性反应应该引起的N $_2$ D $^+$,$^{15}$ NNH $^+$,和N $^{15}$ NH $^+$的丰度增强。在ASAI IRAM-30 m大型计划的框架内,我们研究了氘和$^{15}$ N在N $_2$ H $^+$中的分馏,这是类太阳恒星形成过程不同演化阶段的最佳代表。我们的目标是最终确认(或否认)经典的“离子中性反应”的情况下,预测一个类似的趋势D和$^{15}$ N分馏。我们没有发现从$^{15}$ NNH $^+$和N $^{15}$ NH $^+$同位素同源物的$^{14}$ N/ $^{15}$ N比的任何演化趋势。因此,我们的研究结果证实,在类太阳恒星的形成过程中,核心演化与$^{15}$ N的分馏无关。$^{14}$ N/ $^{15}$ N比值与时间无关,这一点也在高质量恒星形成核心中发现,这表明在彗星和原行星盘中发现的$^{15}$ N富集不太可能发生在核心尺度上。然而,我们已经坚定地证实了H/D比的演化趋势,N $_2$ H $^+$ /N $_2$ D $^+$比在前恒星核心阶段之前下降,在原恒…
2018-01-23 astro-ph.GA astro-ph.SR
Radial variations in nitrogen, carbon, and hydrogen fractionation in the PDS 70 planet-hosting disk
本研究利用 ALMA 高分辨率观测绘制 PDS 70 行星宿主盘中 HCN 的氮、碳、氢同位素比值径向剖面,揭示不同尺度上由 N2 光解离等过程主导的分馏差异。
2025-04-04 astro-ph.EP astro-ph.SR
First measurements of 15N fractionation in N2H+ toward high-mass star forming cores
我们报告的第一次测量的同位素比14N/15N在N2H+对一个统计上显着的高质量恒星形成的核心样本。这些来源属于大质量恒星形成过程的三个主要演化类别:大质量无星核心、大质量原恒星天体和超致密HII区域。同时测量了CN中的~(14)N/~(15)N。由N2H+得出的14 N/15 N比值显示出较大的差异(从~180到~1300),而由氯化萘得出的比值介于地球大气中测得的数值(~270)和原太阳星云中测得的数值(~440)之间,大部分来源的比值都在误差范围内。然而,这种不同的传播可能是由于N2H+同位素体中检测到的来源多于CN同位素体中检测到的来源。14N/15N比值随源演化阶段的变化不明显,说明时间对氮的分馏作用似乎无关。我们还发现了14N/15N(来自N2H+)和H/D同位素比值之间的可能关系。这表明,15 N富集不能与导致D富集的参数相联系,与最近的化学模型预测一致。然而,这些模型无法重现所观察到的14 N/15 N的大范围扩散,指出模型中可能仍然缺少一些重要的氮分馏途径。
2015-06-17 astro-ph.SR
Cyanide photochemistry and fractionation in the MWC 480 disk
HCN是太阳系天体和星际环境中常见的分子。其相对于氯化萘的丰度是一种建议的紫外线照射示踪剂。HCN也经常被用来探测物体的热历史,通过测量其氮分馏的程度。为了解决HCN作为探测盘的实用性,我们提出了ALMA的CN,HCN,H13 CN和HC 15 N对原行星盘周围的赫比格Ae星MWC 480,CN和HCN对周围的金牛座T星DM Tau盘。所有分子的发射都被清晰地检测到并被空间分辨,包括在盘中首次检测到HC 15 N。朝向MWC 480,CN排放径向延伸到观察到的HCN排放截止点外部1”以上。定量模型进一步揭示了CN和HCN的径向丰度分布非常不同,最佳拟合外截止半径分别为>300 AU和110+-10 AU。这一结果与模型预测的高效率HCN光解成CN在磁盘的外部,其中垂直的气体和尘埃柱密度低。CN和HCN的排放曲线没有这样的差异,观察到对DM Tau,暗示不同的光化学结构在赫比格Ae和金牛座T磁盘。我们使用的HCN同位素数据对MWC 480磁盘提供的第一个测量的14 N/15 N的比例在一个磁盘。我们发现一个低的磁盘平均14 N/15 N比为200+-100,在云核和彗星中观察到的,证明星际遗传和/或有效的氮分馏在这个磁盘。
2015-11-10 astro-ph.SR
Probing midplane CO abundance and gas temperature with DCO$^+$ in the protoplanetary disk around HD 169142
这项工作的目的是了解哪些中平面条件下探测的DCO $^+$排放在磁盘周围的赫比格Ae星HD 169142。我们探讨了DCO $^+$形成途径对气体温度和CO丰度的敏感性。用ALMA在0.3”的空间分辨率下观察到DCO $^+$ $J$ =3-2跃迁。HD 169142 DCO $^+$径向强度分布图显示,在半径<30 AU处有一个温暖的内部成分,在约50-230 AU处有一个宽的环状结构,在100 AU处有一个峰值,正好超过毫米晶粒边缘。我们模拟的DCO $^+$发射在HD 169142与物理磁盘结构改编自文献,并采用了一个简单的氘化学网络,以调查通过冷氘分馏途径通过H $_2$ D $^+$的DCO $^+$的形成。通过CH $_2$ D $^+$的热氘分馏途径的贡献近似使用中间盘层中的恒定丰度。参数化模型表明,需要改变文献模型的中平面气体温度和CO丰度,以恢复观测到的DCO $^+$径向强度分布。最佳拟合模型在z/r < 0.1的区域包含一个阴影的冷中平面,气体温度降低8 K,刚好超过毫米晶粒边缘的CO损耗因子为5,当r > 120 AU时气体温度降低2 K。温氘分馏途径在30-70 K之间以恒定的DCO $^+$丰度2.0 $\times$ 10 $^{-12}$实施。DCO $^+$发射探测HD 169142外盘中的冷物质储库,该储库未被毫米连续谱、SED或来自12 CO、…
2018-02-26 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Different degrees of nitrogen and carbon depletion in the warm molecular layers of protoplanetary disks
观测表明,某些原行星盘温暖分子层中的碳和氧元素丰度与星际介质相比减少了约10-100倍。与此同时,人们对氮知之甚少。为了研究磁盘中氮,碳,氧元素丰度的时间演化,我们开发了一个一维模型,其中包括尘埃沉降,尘埃和冰的湍流扩散,以及气体-冰化学,包括恒星UV/X射线和银河系宇宙射线驱动的化学。我们发现,在温暖的分子层中的气态CO被转化为CO2冰,并通过湍流混合(即,垂直冷指效应)和恒星紫外光子驱动的冰化学。另一方面,气态N2,温暖分子层中的主要氮储存器,较少被冰化学处理,并且以其原样存在。然后,仅通过N2的垂直冷指效应发生氮耗尽。由于N2的结合能低于CO和CO2的结合能,因此氮的贫化程度小于碳和氧的贫化程度,导致氮的元素丰度高于碳和氧的元素丰度。当扩散系数的$α$参数约为0.001时,这种演变发生在100万年内,并进一步进行。因此,N2 H +/CO柱密度比随着时间的推移而增加。简要讨论了垂直输运对中冰面冰组成的影响。
2022-09-16 astro-ph.EP astro-ph.SR
Nitrogen transport in protoplanetary disks by ammonium salts: a possible origin of Jupiter's nitrogen enrichment
提出太阳星云中半挥发性铵盐的径向输运机制,模拟显示当尘埃含10-30 wt%铵盐时,其解离产生的NH3蒸气及随后的吸积过程能解释木星的氮富集。
2025-03-05 astro-ph.EP astro-ph.SR
The first interferometric measurements of NH$_2$D/NH$_3$ ratio in hot corinos
氮在恒星和行星形成过程中的化学演化仍然没有完全了解。氨(NH $_3$)是理解恒星形成云分子演化和氮同位素分馏的关键物质。本文利用Karl G. Jansky甚大阵列(VLA)我们在空间上解决了二进制(以下4A 1和4A 2),并检测到紧凑的发射NH $_3$过渡与高激发能($\gtrsim$ 100 K)从附近的原恒星,表明NH $_3$冰升华在内部热区域。NH $_3$柱密度估计为$\sim 10^{17}-10^{18}$ cm $^{-2}$。我们还检测到两个NH $_2$ D转换,使我们能够限制氨的氘分馏。4A 1和4A 2中的NH $_2$ D/NH $_3$比率与$\sim 0.3-1$一样高。与文献中的天体化学模型比较,NH $_2$ D/NH $_3$的高比值表明NH $_3$冰的形成主要开始于体冰形成完成后的星前阶段,恒星形成云中的初始氮库可能是原子氮(或N原子),而不是含氮物质如N $_2$和NH $_3$ . IRAS 4A核的物理性质的影响进行了讨论。
2022-10-28 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Cold Deuterium Fractionation in the Nearest Planet-Forming Disk
本文利用ALMA对TW Hya盘的DCO$^+$和DCN进行高分辨率观测与激发分析,发现二者源于20–30 K的行星形成中平面,并提示40 au内气相C/O升高。
2023-01-05 astro-ph.EP astro-ph.SR
Constraining Gas-Phase Carbon, Oxygen, and Nitrogen in the IM Lup Protoplanetary Disk
我们提出了新的限制气相C,N和O丰度的IM Lup原行星盘的分子层。基于先前对该盘的物理和化学建模,我们使用C $_2$ H的新ALMA观测来将分子层中的C/O比约束为$\sim0.8$,即,比$\sim0.54$的太阳值高。我们使用档案ALMA观测HCN和H $^{13}$ CN表明,没有耗尽的N是必需的(假设星际丰度$7.5\times10^{-5}$每H)。这些结果表明,一个可观的分数O是封存在水冰在大颗粒解决磁盘中平面。同样,一部分可用的碳被锁定在挥发性较低的分子中。相比之下,N大部分未被处理,可能是N $_2$。这种消耗模式表明在这个圆盘中存在真正的丰度变化,而不是简单的气体质量的整体消耗。如果这些结果持有更普遍的,然后结合CO,C $_2$ H,和HCN的磁盘观测可能会提供一个有前途的路径约束气相C/O和N/O在行星形成。总之,这些示踪剂提供了将盘的挥发性成分与由其形成的行星大气联系起来的机会。
2018-08-31 astro-ph.EP astro-ph.SR
Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS). X. Studying deuteration at high angular resolution toward protoplanetary disks
氘分馏取决于各种物理和化学参数。因此,太阳系中物质的形成位置和热历史往往是通过测量其D/H比来研究的。这就需要了解行星形成时期的氘化过程。我们的目标是研究这些过程,通过径向分辨DCN/HCN(在0.3”分辨率)和N $_2$ D $^+$ /N $_2$ H $^+$(0.3至0.9”)柱密度比对五个原行星盘观测的分子与ALMA在行星形成尺度(MAPS)大计划。在所有五个来源中检测到DCN,其中一个是新报告的检测。N $_2$ D $^+$在四个来源中检测到,其中两个是新报告的检测。我们推导出柱密度分布,使我们能够在高分辨率下研究DCN/HCN和N $_2$ D $^+$ /N $_2$ H $^+$比率的空间变化。DCN/HCN对于磁盘的不同部分变化很大,范围从$10^{-3}$到$10^{-1}$。特别是,与外盘相比,内盘区域通常显示出显著较低的HCN氘代。此外,我们的分析证实,两个氘分馏通道是活跃的,这可以改变的D/H比内池的有机分子。在$\sim$ 50 au以外的冷外部区域发现了N $_2$ D $^+$,在整个盘样品中,N $_2$ D $^+$ /N $_2$ H $^+$的范围在$10^{-2}$和1之间。这与理论预期的N $_2$ H $^+$氘化仅通过低温通道进行是一致的。本文是《天体物理学杂志增刊》MAPS特刊的一部分。
2021-11-29 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
High-Resolution Mid-Infrared Spectroscopy of GV Tau N: Surface Accretion and Detection of Ammonia in a Young Protoplanetary Disk
重新分配或移除原行星盘的角动量的物理过程,可以驱动质量吸积到恒星上,并影响行星形成的结果。尽管原行星盘参与吸积的证据随处可见,但负责的过程仍不清楚。在这里,我们提出的证据红移分子吸收光谱的I类源,表明在磁盘表面的快速流入。GV Tau N的高分辨率中红外光谱揭示了C2 H2、HCN、NH3和水的单独谱线的丰富吸收光谱。从分子吸收的性质,我们可以推断,它携带一个显着的吸积率(~ 1 e-8至1 e-7 Msun/yr),相当于活跃的金牛座T星的恒星吸积率。因此,我们可以观察到盘吸积的作用。这些结果可能为超声速“表面吸积流”提供观测证据,这在磁化圆盘的MHD模拟中已经发现。观测到的光谱也代表了在原行星盘的行星形成区域中首次探测到氨。由于氨的丰度仅与HCN相当,因此它不可能是氮的主要缺失库。如果像预期的那样,内盘中占主导地位的氮储存库是N2,那么它的高挥发性将使其难以融入形成的行星,这可能有助于解释大部分地球的低氮含量。
2020-11-30 astro-ph.EP astro-ph.SR
Emission from multiple molecular isotopologues in a high-inclination protoplanetary disk
本文利用JWST的MIRI-MRS光谱研究高倾角原行星盘MY Lup,首次在内盘探测到CO₂和HCN的稀有同位素体,并通过冷分子气体特征揭示内盘清空与侧向倾角对光谱的联合影响。
2025-02-07 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
A deep search for Complex Organic Molecules toward the protoplanetary disk of V883 Ori
研究利用ALMA 7波段深度观测V883 Ori原行星盘,识别26种分子并首次发现CH3OD等,丰度比较表明原行星盘阶段可能促进COMs积累。
2025-04-08 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
An ALMA survey of DCN/H$^{13}$CN and DCO$^+$/H$^{13}$CO$^+$ in protoplanetary disks
分子的氘富集对其形成环境敏感。因此,限制原行星盘中氘化学的模式对于探索物质在恒星和行星形成的各个阶段是如何继承或再加工的是有用的。我们提出ALMA观测在$\sim0.6"$分辨率的DCO $^+$,H $^{13}$ CO $^+$,DCN,和H $^{13}$ CN在完整的磁盘围绕金牛座T星AS 209和IM Lup,过渡磁盘围绕金牛座T星V4046 Sgr和LkCa 15,和完整的磁盘围绕赫比格Ae星MWC 480和HD 163296。我们还提出了ALMA观测HCN在IM Lup磁盘。在所有磁盘中检测到DCN、DCO $^+$和H $^{13}$ CO $^+$,在除IM Lup磁盘外的所有磁盘中检测到H $^{13}$ CN。我们发现有效的氘分馏的样品,估计磁盘平均DCO $^+$ /HCO $^+$和DCN/HCN丰度比范围从$\sim0.02-0.06$和$\sim0.005-0.08$,分别,这是与其他ISM环境中报告的值。DCN和DCO $^+$的相对分布在磁盘之间变化,这表明可能需要多个形成途径来解释不同的发射形态。此外,在H $^{13}$ CO $^+$和DCO $^+$发射中观察到的间隙和环提供了新的证据,表明DCO $^+$与中平面CO雪线的位置具有复杂的关系。
2017-02-10 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
CID: Chemistry In Disks VII. First detection of HC3N in protoplanetary disks
原行星盘的分子谱线发射是约束其物理和化学结构的有力工具。然而,到目前为止,只有少数分子在盘中被检测到。我们利用IRAM 30米望远镜的增强功能,通过使用新的宽带相关器(FTS)来搜索迄今为止未检测到的分子在围绕TTauri星DM Tau,GO Tau,LkCa 15和Herbig Ae星MWC 480的原行星盘中。我们报告了使用IRAM 30-m在GO Tau和MWC 480磁盘中以及使用IRAM阵列在LkCa 15磁盘(5 sigma)中首次检测到5 sigma的HC 3 N,导出的列密度为10^{12}cm^{-2}。我们还获得了CCS的严格上限(N < 1.5 x 10^{12} cm^{-3})。我们讨论的观测结果进行比较,从现有的化学磁盘模型(使用化学代码鹦鹉螺计算)和基于以前的氮和硫的分子观测柱密度。观察到的柱密度HC 3 N通常是两个数量级低于现有的预测,似乎是较低的存在下,强的紫外线通量,这表明分子化学是敏感的紫外线透过磁盘。CCS上限加强了我们的模型与低元素丰度的硫来自其他含硫分子(CS,H2S和SO)。
2012-07-11 astro-ph.GA astro-ph.SR
An evolutionary study of volatile chemistry in protoplanetary disks
一颗行星的挥发性成分取决于母盘中的气体和冰的存量。预计盘中的挥发性化学物质会随着时间的推移而演变,尽管这种演变在观测上受到很大的限制。我们目前ALMA观测C18 O,C2 H,和同位素H13 CN,HC 15 N,和DCN对5类0/I磁盘候选人。结合Bergner等人(2019 b)提出的14个II类磁盘样本,该数据集提供了磁盘寿命期间挥发性化学演变的视图。我们的C18 O丰度的估计是一致的快速耗尽的CO在第一个~0.5-1万年的磁盘寿命。我们没有看到C2 H和HCN的形成增强CO耗竭的证据,可能是因为气体已经相当丰富的CO。进一步CO耗竭可能会阻碍他们的生产,限制气相碳供应。嵌入源显示出几个化学差异相比,第二类阶段,这似乎是由于屏蔽辐射的信封(影响C2 H的形成和HC 15 N分馏)和升华的冰从下落的材料(影响HCN和C18 O丰度)。0/I类和II类来源之间的化学差异可能会影响行星形成材料在磁盘寿命的不同阶段的挥发性成分。
2020-06-22 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
H$_2^{18}$O in the terrestrial planet-forming regions of protoplanetary disks
Vassar College(瓦萨学院);Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology(加州理工学院喷气推进实验室);Division of Geological and Planetary Sciences, California Institute of Technology(加州理工学院地质与行星科学系);Department of Astronomy, University of Wisconsin-Madison(威斯康星大学麦迪逊分校天文学系);Center for Astrophysics, Harvard & Smithsonian(哈佛-史密森尼天体物理中心);Department of Physics, Texas State University(德克萨斯州立大学物理系);Weber State University(韦伯州立大学);Department of Astronomy, University of Michigan(密歇根大学天文学系);Astrophysics & Space Institute, Schmidt Sciences(施密特科学天体物理学与空间研究所);Department of Physics and Astronomy, University of Exeter(埃克塞特大学物理与天文系);Department of Astronomy, University of Maryland(马里兰大学天文学系)
研究通过JWST探测类地行星形成区中H₂¹⁸O,发现其比值与理论预测不符,提出可能的水迁移或同位素分数化机制。
2026-01-27 astro-ph.EP astro-ph.SR
Using HCO$^+$ isotopologues as tracers of gas depletion in protoplanetary disk gaps
在原行星盘的尘埃连续体中看到的广泛的环和间隙有时伴随着在分子线发射中看到的类似的子结构。一个例子是AS 209中100 au处的外能隙,这表明H $_{13}$ CO $^+$和C $_{18}$ O发射强度随着能隙中的连续谱而降低,而DCO $^+$发射在能隙内部增加。我们的目标是研究两种情况下的DCO $^+$ /H $_{13}$ CO $^+$和DCO $^+$ /HCO $^+$比率在原行星盘间隙中的行为:气体耗尽跟随尘埃耗尽和只有尘埃耗尽。我们首先使用热化学模型ANDES模拟物理磁盘结构。这个1+1D稳态圆盘模型计算气体和尘埃的热平衡,包括FUV、X射线、宇宙射线和其他电离源,以及分子冷却剂的简化化学网络。然后,采用扩展的氘分馏气体-颗粒化学网络计算分子丰度。理想的合成光谱和零阶矩图与石灰。我们能够定性地再现的DCO $^+$强度的增加和减少的H $_{13}$ CO $^+$和C $_{18}$ O强度内的磁盘间隙,这是定性地类似于在外部AS 209间隙中观察到的。相应的圆盘模型假设气体和尘埃都在间隙中耗尽。富气隙模型中,只有尘埃被耗尽,产生的辐射在所有HCO $^+$同位素和C $_{18}$ O中都太亮。DCO $^+$ /H $_{13}$ CO $^+$线比可用于探测CO雪线外尘埃连续间隙中的气体耗尽。DCO $^+$ /C $_{18}$ O线比显示出类似的…
2020-09-21 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Exploring HNC and HCN line emission as probes of the protoplanetary disk temperature
原行星盘中分子的分布和丰度是盘的物理和化学结构的强有力的示踪剂。已知HCN及其异构体HNC的丰度比对气体温度敏感。因此,它们的谱线比可能为探测发射气体的性质提供了一个独特的机会。使用2D热化学代码DALI,我们运行了一组磁盘模型,解释了不同的恒星和磁盘属性,并更新了氮化学的化学网络。然后将这些建模结果与观测结果进行比较,包括TW Hya盘的HNC $J=3-2$和狼疮中29个盘的HNC $J=1-0$的新ALMA观测结果。与CN类似,HCN和HNC在具有较大圆盘张开角和较高UV通量的模型中具有较亮的线发射。HNC和HCN的预测是丰富的温暖的地面层和外中面区域,这导致在环形的排放模式。然而,精确的发射区域和发射形态取决于探测的过渡,以及其他参数,如C和O丰度。模拟的HNC-HCN线强度比增加,从$<0.1$在内部磁盘的外盘区域,这可以解释为在高温下的高效HNC破坏。从目前稀缺的观测和TW Hya磁盘的径向分布,综合HNC线通量与我们的模型预测大致一致。HNC与HCN的通量比随半径(温度降低)而增大,但其作为圆盘中的化学温度计的使用受其他因素的影响,包括UV通量和C和O丰度。HNC和HCN的高空间分辨率ALMA磁盘观测,可以定位的发射层将有很大的潜力,以限制磁盘的热和紫外辐射结构,并验证我们的氮化学的理解。
2021-02-12 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Protoplanetary disk chemistry and structure
本综述聚焦地球生命必需的六种元素,结合ALMA与JWST的观测能力,概述原行星盘化学结构的现有研究进展,为理解行星多样性与宜居行星形成提供化学视角参考。
2024-10-30 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
First detection of gas-phase ammonia in a planet-forming disk
原行星盘中的氮化学和尘埃颗粒的冻结是理解早期太阳系类似物中含氮物质形成的关键。到目前为止,在原行星盘的雪线之外还没有探测到氨。我们的目标是在一个原行星盘中找到气相氨,并描述其相对于水蒸气的丰度。使用HIFI的赫歇尔空间天文台,我们检测到,第一次,在原行星盘的ortho-NH $_3$的基态旋转发射,TW Hya。我们使用磁盘的物理结构和化学氨和水的详细模型来推断这些物种的气相分子的量。我们探索两个径向分布(局限于$<$ 60金像毫米大小的颗粒)和两个垂直分布(近中面,预计水光解吸关闭冰颗粒)来描述(未知)的位置的分子。这些分布捕捉到了被冰覆盖的颗粒的径向漂移和垂直沉降的影响。我们使用物理化学模型来重现通量,假设水和氨是同空间的。我们推断氨的气相质量为0.7-11.0 $\times$ 10 $^{21}$ g。对于水,我们推断气相质量为0.2-16.0 $\times$ 10 $^{22}$ g。这对应于NH $_3$ /H $_2$ O丰度比为7 - 84%,假设水和氨共存。只有在最紧凑和最稳定的构型中,推测的NH $_3$ /H $_2$ O才与星际冰和太阳系天体的$\sim$ 5 -10一致。如果用于随后冻结的可用表面显著减少,则中平面中的挥发物释放可能经由冰体之间的碰撞而发生,例如,通过小颗粒生长成卵石或更大的。
2016-04-01 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Stratified NH and ND emission in the prestellar core 16293E in L1689N
在星前冷核和年轻原恒星周围的包层中通常发现氘的高度分馏。由于氘化学给化学模型带来了很强的限制,因此常被用来推断地核历史或分子形成途径。虽然有大量的观测资料是关于星际氘稳定分子,相对较少的氢化物自由基的氘化所知,因为它们的基本旋转跃迁是在高频率,大气中大多是不透明的。氮氢化物自由基是氮化学中的重要物种,因为它们被认为与氨的形成有关。观察表明氨是强氘代的,[NH 2D]/[NH3]约为10%。模型预测类似的高[ND]/[NH]比率,但到目前为止,只有一个观测确定这个比率是可用的,对原恒星IRAS 16293 -2422的信封。为了测试模型的预测,我们在这里的目的是确定[ND]/[NH]在一个密集的,无星的核心。我们观察了NH和ND在16293 E与Herschel空间天文台上的HIFI光谱仪作为CHESS保证时间键计划的一部分,并推导出这两个物种的丰度使用非LTE非本地辐射转移模型。NH和ND都在源中被检测到,ND在发射中,NH在吸收中对冷尘埃发射产生的连续谱。然而,我们的模型表明,ND发射和NH吸收来自云的不同层,进一步证明了它们的不同速度。在核心的中心区域,我们可以将[ND]/[NH]比的下限设定为~ 2%。这一估计与最近的氮化学纯气相模型是一致的
2015-12-08 astro-ph.GA astro-ph.SR
Chemistry in Protoplanetary Disks
本文综述了原行星盘中的化学过程,总结了从近红外到毫米波长的分子谱线观测,讨论了化学反应类型与化学建模进展,并重点介绍了雪线位置、碳氧氮主要载体丰度及复杂有机分子研究的最新成果,最后探讨了结合盘化学与行星形成过程追溯行星形成历史的努力。
2024-04-23 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.geo-ph
Measuring elemental abundance ratios in protoplanetary disks at millimeter wavelengths
在百万年的演化过程中,原行星盘中的气体尘埃和冰可以进行化学再加工。有证据表明,在属于附近恒星形成区的盘中,气相碳和氧的丰度是亚太阳的。这些发现对巨行星的主要大气层的组成有重大影响(但它也可能对超级地球和次海王星有效),因为它们从圆盘中的周围物质中吸积了它们的气体包层。在这项研究中,我们进行了热化学建模分析,目的是测试如何可靠和稳健的元素丰度比的估计的基础上(亚)毫米观察分子线。我们为以下不同的元素丰度比创建了一个圆盘模型网格:C/O、N/O和S/O,并且,我们计算了一组含碳、氮和硫物质的线通量,即CN、HCN、NO、C $_{2}$ H、c-C $_{3}$ H $_{2}$、H $_{2}$ CO、HC $_{3}$ N、CH $_{3}$ CN、CS、SO、H $_{2}$ S和H $_{2}$ CS,目前的(亚)毫米级设施,如ALMA和NOEMA已经探测到。我们发现,线通量,一旦归一化的$^{13}$ CO $J=2-1$线的通量,是敏感的元素丰度比。另一方面,恒星和磁盘的物理参数只有轻微的影响线通量比。我们的结果表明,同时分析多个分子跃迁是一个有效的方法来约束元素丰度比在原行星盘。
2020-05-20 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Ammonium salt formation and abundance in protoplanetary disks
Université Bordeaux, CNRS, Bordeaux INP, ISM, UMR 5255(波尔多大学);Carl Sagan Center, SETI Institute(卡尔·萨根中心,SETI研究所);NASA Ames Research Center(NASA艾姆斯研究中心)
本文通过热化学模型研究原行星盘阶段铵盐的形成,发现其在盘内中平面高效形成,宇宙射线驱动效应会增强r≈30 au内的铵盐形成,且改变CO与N₂雪线位置。
2026-08-04 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Mixing and Transport of Short-Lived and Stable Isotopes and Refractory Grains in Protoplanetary Disks
对原始陨石和彗星样本的分析表明,太阳星云一定经历了一个小的难熔颗粒大规模向外迁移的阶段,以及最初空间不均匀的短寿命同位素的均匀化。然而,稳定的氧同位素能够在$\sim$ 6%水平下保持空间异质性。实现这些不同目标的一个有希望的机制是与边缘引力不稳定(MGU)盘相关的混合和传输,这可能是年轻低质量恒星中FU Orionis事件的原因。几套新的MGU模型,探讨不同的质量(0.016至0.13 $M_\odot$)不同的质量(0.1至1 $M_\odot$)和不同的初始$Q$稳定性最小值(1.8至3.1)的恒星周围的磁盘的混合和运输。结果表明,MGU盘能够快速(在$\sim 10^4$年内)实现大规模的传输和均匀化最初空间不均匀分布的磁盘颗粒或气体。此外,该模型表明,虽然单次注射的异质性降低到一个相对较低的水平($\sim$ 1%),所需的早期太阳系测时,连续注入的排序与稳定的氧同位素分馏的紫外线光解产生持续的,相对较高的水平($\sim$ 10%)的异质性,与氧同位素数据。这些模型支持了这样的假设,即原太阳可能经历了至少一次类似猎户座FU的爆发,这产生了原始彗星和彗星留下的几个特征。
2013-06-10 astro-ph.EP astro-ph.SR
The TW Hya Rosetta Stone Project I: Radial and vertical distributions of DCN and DCO+
分子的D/H比值常被用来探测太阳系挥发物的化学历史。然而,目前还不清楚太阳星云的哪些部分拥有活跃的氘分馏化学。为了解决这个问题,我们提出了0”.2-0”.4 ALMA观测DCO+和DCN 2-1,3-2和4-3对TW Hya附近的原行星盘,作为TW Hya Rosetta Stone项目的一部分,增加了档案数据。DCO+的特点是在70金半径卵石盘的激发温度为~40 K,表明从温暖的,升高的分子层发射。然而,DCN存在于甚至更高的温度下。DCO+和DCN都在内盘中呈现大量的发射空腔,而在外盘中,DCO+和DCN形态发散:大多数DCN发射起源于峰值约30 μ m的窄环,一些额外的扩散DCN发射存在于较大的半径处,而DCO+存在于延伸超过卵石盘的宽结构环中。基于参数磁盘丰度模型,这些发射模式可以解释为一个接近恒定的DCN丰度外腔,并增加DCO+丰度与半径。似乎有一个活跃的氘分馏化学在TW Hya周围的多个磁盘区域,但不是在冷的星子形成的中平面和内部磁盘。需要更多的观测来探索在后面这些区域中是否真的不存在氘分馏,以及它的缺乏是否是一个共同的特征,或者是旧TW Hya盘特有的东西。
2020-11-13 astro-ph.EP astro-ph.SR
The rapid formation of macromolecules in irradiated ice of protoplanetary disk dust traps
该研究发现原行星盘尘埃陷阱的强辐射区可使冰态小分子在数十年内快速形成有机大分子,约4%的盘冰可经此过程并入星子形成区,揭示了星子形成与生命相关有机大分子产生的关联。
2025-01-17 astro-ph.EP astro-ph.SR
Chemistry of Complex Organic Molecules in the V883 Ori Disk Revealed by ALMA Band 3 Observations
本研究利用ALMA Band 3观测V883 Ori原行星盘,鉴定出十种含氧复杂有机分子,发现其丰度比接近彗星67P,并首次约束了盘中COMs的碳同位素和氘氢比值,揭示了原行星盘中COMs的高效再形成机制。
2023-12-03 astro-ph.EP astro-ph.SR
Mind the Trap: Non-negligible effect of volatile trapping in ice on C/O ratios in protoplanetary disks and exoplanetary atmospheres
该研究将挥发物俘获效应纳入原行星盘雪线模型,发现其会显著改变盘内C/O比的分布,使比值更均匀,还会影响系外行星大气的元素组成,为行星形成与观测解读提供了新的参考维度。
2024-06-23 astro-ph.EP astro-ph.SR
HCN snowlines in protoplanetary disks: constraints from ice desorption experiments
HCN是恒星和行星形成区域中最常检测到的分子之一。它作为恒星形成物理学的示踪剂、氮天体化学的探测器和生命前化学方案的成分而受到广泛关注。尽管如此,HCN最基本的天体化学性质之一仍然很难表征:它的热脱附行为。在这里,我们提出了一系列的实验来表征HCN的热脱附在天体物理学相关的条件下,重点预测HCN升华前的原行星盘。我们推导出HCN-HCN和HCN-H2O的结合能分别为3207 \pm 197 K和4192 \pm 68 K,这两个结合能对应于盘中面升华温度约为85 K和103 K。对于典型的中平面温度分布,HCN应该仅在H2O雪线外部开始升华~1-2 Au。此外,在H2O为主的混合物(20:1 H2O:HCN),我们发现,大部分的HCN仍然被困在冰,直到H2O结晶。因此,HCN可以保留在几乎所有半径的冰盘中,其中富含H2O的微行星形成。这意味着冰体撞击行星表面通常会提供这种潜在的益生元成分。剩下的未知数是HCN在天体物理冰中是纯的还是与H2O混合的程度,这影响了HCN的解吸行为以及冰相化学的结果。纯HCN和HCN:H2O混合物显示出独特的红外波段,这提高了詹姆斯·韦伯太空望远镜阐明恒星和行星形成区域HCN混合环境并解决这些悬而未决的问题的可能性。
2022-06-09 astro-ph.EP astro-ph.SR
DCO$^+$, DCN and N$_2$D$^+$ reveal three different deuteration regimes in the disk around the Herbig Ae star HD163296
氘化物质的形成路径追踪原行星盘的不同区域,并可能揭示它们的物理结构。我们的目标是限制主要氘代物种的径向范围,我们特别感兴趣的是在空间上表征的高,低温路径,以提高这些物种的氘代。利用ALMA在6波段观测了Herbig Ae星HD 163296周围的盘,获得了DCO $^+$($J$ =3-2)、DCN($J$ =3-2)和N $_2$ D $^+$($J$ =3-2)的分辨光谱成像数据。我们模拟DCO $^+$,DCN和N $_2$ D $^+$的径向发射剖面,假设它们的发射是光学薄,使用参数模型的丰度和径向激发温度估计。DCO $^+$可以用三区模型来描述,恒定丰度环集中在70 AU,150 AU和260 AU。DCN的径向轮廓峰位于约60 AU处,N $_2$ D $^+$在约160 AU处呈环状。使用恒定丰度的两种分子的简单模型再现了数据。假设合理的平均激发温度为整个磁盘,他们的磁盘平均列密度(和氘分馏比)为1.6-2.6 $\times 10^{12}$ cm $^{-2}$(0.04-0.07),2.9-5.2 $\times 10^{12}$ cm $^{-2}$对于DCO $\sim$、DCN和N $_2$ D $^+$,$\times 10^{11}$(0.02)和$^{-2}$(0.34-0.45)分别为1.6-2.5 $\times 10^{11}$ cm $^{…
2017-07-20 astro-ph.GA astro-ph.SR
The Carbon Isotopic Ratio and Planet Formation
该研究首次在原行星盘TW Hya中探测到13CCH,发现两个独立的碳同位素储库,并指出年轻原恒星盘中的电离过程可解释这一现象,为巨行星形成中的同位素富集提供来源。
2024-03-13 astro-ph.EP astro-ph.SR
From local chemistry to galactic evolution: unlocking the power of interstellar isotopes with ALMA2040
该研究提出用灵敏度提升一个数量级、瞬时带宽至少512 GHz的ALMA2040,探测星际同位素体,解析局部化学处理与星系演化的关联,确立分子同位素为相关定量探针。
2026-10-16 astro-ph.GA astro-ph.IM astro-ph.SR
A major asymmetric ice trap in a planet-forming disk IV. Nitric oxide gas and a lack of CN tracing sublimating ices and a C/O ratio $< 1$
本研究首次探测原行星盘Oph-IRS 48中的一氧化氮,结合ALMA观测与DALI模型分析尘埃阱化学结构,发现CN缺失约束C/O比低于1,且NO发射与含氮冰升华相关。
2023-03-01 astro-ph.EP astro-ph.SR
A Multi-line Analysis of the Distribution and Excitation of CS and H$_2$CS in the HD 163296 Disk
本研究通过ALMA和SMA的高角分辨率多谱线观测,分析HD 163296星盘中CS、H$_2$CS及其同位素的分布与激发特性,推导相关物理参数,发现显著硫分馏效应并限定CS发射层范围,为原行星盘硫化学研究提供关键观测约束。
2025-03-20 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
The Role of Ice Compositions for Snowlines and the C/N/O Ratios in Active Disks
行星的元素组成定义了它们的化学性质,如果行星诞生环境(即原行星盘)的元素气体和颗粒比例得到很好的理解,这些元素组成可能被用作它们形成位置的信标。在盘中,挥发性元素的比例,如C/O和N/O,由主要的C,N,O载体的丰度,它们的冰结合环境,以及在距离中心恒星不同距离的主要挥发物雪线的存在来调节。我们探讨磁盘的动力学过程,分子组成和丰度,冰成分上的雪线位置的主要C,O和N载体,和整个磁盘中的气体和尘埃的C/N/O比的影响。气相N/O比增强外盘(外部的H2O雪线)超过所有合理的挥发性成分的C/O比增强。冰的成分和磁盘动力学单独改变雪线的位置N2,主要的氮载体,由2-3的因素,当考虑在一起的范围内可能N2雪线的位置是~11- ~79 AU在一个标准的磁盘模型。因此,在行星形成的不同阶段锚定雪线位置的观测是开发C/N/O比值作为行星形成区探测器的关键。
2016-11-02 astro-ph.EP astro-ph.SR