The ortho-to-para ratio of water in interstellar clouds

Autor: D. R. Flower, G. Pineau des Forêts, Claire Rist, Alexandre Faure, A Matthews, P. Hily-Blant
Přispěvatelé: Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble (IPAG), Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Observatoire des Sciences de l'Univers de Grenoble (OSUG ), Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (IRSTEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (IRSTEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019]), Laboratoire d'Etude du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique (LERMA (UMR_8112)), Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire de Paris, Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-CY Cergy Paris Université (CY), Institut d'astrophysique spatiale (IAS), Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Department of Physics [Durham University], Durham University, Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire des Sciences de l'Univers de Grenoble (OSUG), Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP)-Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (IRSTEA)-Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP)-Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (IRSTEA)-Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Rok vydání: 2019
Předmět:
Zdroj: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Oxford University Press (OUP): Policy P-Oxford Open Option A, 2019, 487 (3), pp.3392-3403. ⟨10.1093/mnras/stz1531⟩
Monthly notices of the Royal Astronomical Society, 2019, Vol.487(3), pp.3392-3403 [Peer Reviewed Journal]
ISSN: 1365-2966
0035-8711
DOI: 10.1093/mnras/stz1531
Popis: The nuclear-spin chemistry of interstellar water is investigated using the University of Grenoble Alpes Astrochemical Network (UGAN). This network includes reactions involving the different nuclear-spin states of the hydrides of carbon, nitrogen, oxygen and sulphur, as well as their deuterated forms. Nuclear-spin selection rules are implemented within the scrambling hypothesis for reactions involving up to seven protons. The abundances and ortho-to-para ratios (OPRs) of gas-phase water and water ions (H$_2$O$^+$ and H$_3$O$^+$) are computed under the steady-state conditions representative of a dark molecular cloud and during the early phase of gravitational collapse of a prestellar core. The model incorporates the freezing of the molecules on to grains, simple grain surface chemistry and cosmic-ray induced and direct desorption of ices. The predicted OPRs are found to deviate significantly from both thermal and statistical values and to be independent of temperature below $\sim $30~K. The OPR of H$_2$O is shown to lie between 1.5 and 2.6, depending on the spin-state of H$_2$, in good agreement with values derived in translucent clouds with relatively high extinction. In the prestellar core collapse calculations, the OPR of H$_2$O is shown to reach the statistical value of 3 in regions with severe depletion ($n_{\rm H}> 10^7$~cm$^{-3}$). We conclude that a low water OPR ($\lesssim 2.5$) is consistent with gas-phase ion-neutral chemistry and reflects a gas with OPR(H$_2)\lesssim 1$. Available OPR measurements in protoplanetary disks and comets are finally discussed.
14 pages, 7 figures, accepted for publication in MNRAS on 29 May 2019
Databáze: OpenAIRE