[論文レビュー] Chemistry in Disks. V: CN and HCN in proto-planetary disks

Edwige Chapillon, S. Guilloteau+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2011

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 49被引用数 34

ひとこと要約

本研究では、IRAM Plateau de Bure干渉計を用いた高分解能ALMAに類似した観測を用い、3つの原始惑星系円盤（DM Tau、LkCa 15、MWC 480）におけるCNおよびHCNの分布をマッピングした。その結果、予想外に低い励起温度（8–10 K）と高いCN/HCN比（5–10）が明らかとなり、現在の化学モデルに挑戦するものとなった。これらの結果は、冷たい円盤中間面に顕著な気相CNおよびHCNが存続している可能性を示唆しており、凍結が不完全であるか、またはLyα放射が強化されている可能性がある。これは、低温における固体表面化学の理解が不十分であることを示している。

ABSTRACT

The chemistry of proto-planetary disks is thought to be dominated by two major processes: photodissociation near the disk surface, and depletion on dust grains in the disk mid-plane, resulting in a layered structure with molecules located in a warm layer above the disk mid-plane. We attempt here to confront this warm molecular layer model prediction with the distribution of two key molecules for dissociation processes: CN and HCN. Using the IRAM Plateau de Bure interferometer, we obtained high spatial and spectral resolution images of the CN J=2-1 and HCN J=1-0 lines in the disks surrounding the two T-Tauri DM Tau and LkCa 15 and the Herbig Ae MWC 480. Disk properties are derived assuming power law distributions. The hyperfine structure of the observed transitions allows us to constrain the line opacities and excitation temperatures. We compare the observational results with predictions from existing chemical models, and use a simple PDR model (without freeze-out of molecules on grains and surface chemistry) to illustrate dependencies on UV field strength, grain size and gas-to-dust ratio. We also evaluate the impact of Lyman alpha radiation. The temperature ordering follows the trend found from CO lines, with DM Tau being the coldest object and MWC 480 the warmest. Although CN indicates somewhat higher excitation temperatures than HCN, the derived values in the T-Tauri disks are very low (8-10 K). They agree with results obtained from CCH, and are in contradiction with thermal and chemical model predictions. These very low temperatures, as well as geometrical constraints, suggest that substantial amounts of CN and HCN remain in the gas phase close to the disk mid-plane, and that this mid-plane is quite cold. The observed CN/HCN ratio (5-10) is in better agreement with the existence of large grains, and possibly also a substantial contribution of Lyman alpha radiation.

研究の動機と目的

• T Tauri星およびHerbig Ae星の円盤におけるCNおよびHCNの観測を通じて、層状円盤化学モデルの予測を検証すること。
• 超微細構造解析を用いて、CNおよびHCNの励起状態および空間分布を調査すること。
• UV遮蔽、Lyα放射、粒子サイズ、ガス・ダスト比が分子の豊度に与える影響を評価すること。
• 現在の化学モデルが観測された吸収層密度および励起温度を再現できるかどうかを評価すること。

提案手法

• IRAM Plateau de Bure干渉計を用いた、CN J=2-1およびHCN J=1-0線の高空間・高スペクトル分解能観測。
• 最小二乗法を用いた超微細構造解析により、光学厚さ、励起温度、吸収層密度を導出する。
• 凍結や表面反応を含まないPDRコードを用いたモデル化により、UV場、粒子サイズ、ガス・ダスト比に依存する関係を調査する。
• 既存の化学モデルおよび放射輸送の修正LVG近似との比較を通じて、観測されたラインプロファイルおよび比を検証する。
• CNの衝突率は、HCNとHeとの間で同一であると仮定（Green & Thaddeus, 1974）。
• 低温度と観測結果の整合性をとるために、ガス・ダスト比の低減やダスト透過率の増加といった代替説を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原始惑星系円盤におけるCNおよびHCNの観測された励起温度は、層状円盤化学モデルの予測と一致するか？
• RQ2 CNおよびHCNの空間分布は何か？また、円盤中間面の上に位置する温かい分子層と一致するか？
• RQ3 観測されたCN/HCN比が著しく高く（5–10）予想より高いのはなぜか？その背後にある物理的条件は何か？
• RQ4 ガス・ダスト比の低減またはダスト透過率の増加により、低く導出された励起温度とモデル予測との整合性をとれるか？
• RQ5 Lyα放射または固体表面化学は、冷たい中間面に存在するCNおよびHCNを維持する上でどのような役割を果たすか？

主な発見

• T Tauri星の円盤におけるCNおよびHCNの励起温度は非常に低く、8–10 Kの範囲にとどまり、熱的および化学的モデルの予測とは矛盾する。
• CNの予測励起温度は高いが、観測値は冷たい中間面と一致しており、CNが上部円盤層に限定されていない可能性を示唆する。
• 観測されたCN/HCN比（約5–10）は、大粒径のダストとLyα放射の寄与が顕著であることでよりよく説明できる。
• ガス・ダスト比の低減（DM Tauでは~0.003 M⊙まで）は励起温度の低さを説明できるが、化学モデルでは観測された吸収層密度を再現できない。
• 冷たい中間面にCNおよびHCNが存続していることは、特に約10 Kにおける低温気相反応および固体表面化学の理解が不十分であることを示唆している。
• 励起状態を完全に制約し、競合する物理的状況を区別するには、より高い励起遷移のCNおよびHCNの観測が必要である。