[論文レビュー] Chemistry in Disks VIII: the CS molecule as an analytic tracer of turbulence in disks

S. Guilloteau, A. Dutrey+6 more|Max Planck Institute for Plasma Physics|Nov 21, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 41被引用数 35

ひとこと要約

本研究では、DM Tauの惑星形成円盤からのCS J=3-2線放出の高分解能ALMAに類似した観測を用いて、分子の非熱的線幅拡張—測定値は0.13–0.14 km s⁻¹—が外側の円盤（≥100 AU）における乱流運動をMach数0.3–0.5で探査することを示した。これは、CSが乱流の強力な重分子 tracer であることを確認するものである。結果は円盤の幾何的仮定にかかわらず一貫しており、中間面からの1スケール高さの位置にCSが存在するという化学モデルの予測とも一致する。

ABSTRACT

Turbulence is thought to be a key driver of the evolution of protoplanetary disks, regulating the mass accretion process, the transport of angular momentum, and the growth of dust particles. We intend to determine the magnitude of the turbulent motions in the outer parts (> 100 AU) of the disk surrounding DM Tau. Turbulent motions can be constrained by measuring the nonthermal broadening of line emission from heavy molecules. We used the IRAM Plateau de Bure interferometer to study emission from the CS molecule in the disk of DM Tau. High spatial (1.4 x 1 ") and spectral resolution (0.126 km/s) CS J=3-2 images provide constraints on the molecule distribution and velocity structure of the disk. A low sensitivity CS J=5-4 image was used in conjunction to evaluate the excitation conditions. We analyzed the data in terms of two parametric disk models, and compared the results with detailed time-dependent chemical simulations. The CS data confirm the relatively low temperature suggested by observations of other simple molecules. The intrinsic linewidth derived from the CS J=3-2 data is much larger than expected from pure thermal broadening. The magnitude of the derived nonthermal component depends only weakly on assumptions about the location of the CS molecules with respect to the disk plane. Our results indicate turbulence with a Mach number around 0.4 - 0.5 in the molecular layer. Geometrical constraints suggest that this layer is located near one scale height, in reasonable agreement with chemical model predictions.

研究の動機と目的

• DM Tauの周囲の原始惑星円盤の外側領域（>100 AU）における乱流の程度を制約すること。
• CS分子が円盤内における非熱的（乱流的）運動の信頼できる tracer として機能できるかどうかを評価すること。
• スペクトル的および幾何的モデリングを用いて、CS放出の円盤中間面からの垂直位置を特定すること。
• 観測された線幅が、乱流円盤における分子分布を想定した化学モデルの予測と整合的であるかどうかを検証すること。

提案手法

• IRAM Plateau de Bure干渉計を用いた、高空間分解能（1.4×1.4′′）および高スペクトル分解能（0.126 km s⁻¹）のCS J=3-2線放出の観測。
• 2.5′′分解能での低感度のCS J=5-4観測を実施し、励起状態の条件を評価し、温度を制約した。
• 2つのパラメトリックな円盤モデル（べき乗則密度分布とテーパー付き端縁モデル）を用いたデータモデリング。
• 観測された線幅プロファイルをフィッティングして、固有の線幅を導出し、熱的および非熱的寄与を分離した。
• 時間に依存する化学シミュレーションと比較することで、CSの位置および濃度の妥当性を検証した。
• 相関器のスペクトル応答を考慮に入れることで、正確な線幅測定を保証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DM Tauの円盤からのCS J=3-2線放出における非熱的線幅拡張の大きさは何か？ そしてそれは乱流に何を示唆するか？
• RQ2 CS分子の垂直分布は、導出された乱流速度分散にどのように影響するか？
• RQ3 観測された線幅は、円盤化学の化学モデルの予測とどの程度一致するか？
• RQ4 CO や HCO⁺ よりも軽い分子に比べ、CSが乱流のより感度が高く信頼性の高い tracer として機能できるか？
• RQ5 CS線幅拡張に基づいて、外側の円盤における乱流のMach数は何か？

主な発見

• 300 AUにおけるCS J=3-2線放出の固有線幅は0.13–0.14 km s⁻¹であり、熱的幅拡張を著しく上回っており、支配的な非熱的（乱流的）成分が存在することを示している。
• 導出された乱流運動は、円盤の分子層においてMach数約0.3–0.5に対応している。
• 非熱的線幅は、CS分子の垂直位置に関する仮定に対して頑健であり、発光体が1スケール高さより上にあると仮定しても安定に保たれる。
• CS発光は、中間面からの1スケール高さ付近に分子が存在する円盤モデルで最もよくフィットし、化学モデルの予測と一致している。
• CS J=5-4およびJ=3-2データから導かれた温度は、低温度（約7–8 K）と一致しており、他の軽い分子からの従来の推定値を支持している。
• 分析により、CSはその高い分子量と準分子帯域における強い発光ゆえに、CO や HCO⁺ よりも乱流の優れた tracer であることが確認された。