[論文レビュー] CID: Chemistry in disks VI.sulfur-bearing molecules in the protoplanetary disks surrounding LkCa15, MWC480, DM Tau, and GO Tau

A. Dutrey, Valentine Wakelam+10 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2011

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 32

ひとこと要約

本研究では、LkCa15、MWC480、DM Tau、およびGO Tauの周囲の原始惑星系円盤における硫黄を含む分子（SO、H2S、CS）を、IRAM 30m望遠鏡の観測を用いて調査した。CSは3つの円盤で検出されたが、H2SおよびSOは検出されず、上限値から、H2Sはモデルで予測されるよりも生成されないことが示唆され、硫黄がまだ化学モデルに組み込まれていない固体表面の氷や難揮発性化合物に閉じ込められている可能性を示している。

ABSTRACT

We study the content in S-bearing molecules of protoplanetary disks around low-mass stars. We used the new IRAM 30-m receiver EMIR to perform simultaneous observations of the $1_{10}-1_{01}$ line of H$_2$S at 168.8 GHz and $2_{23}-1_{12}$ line of SO at 99.3 GHz. We compared the observational results with predictions coming from the astrochemical code NAUTILUS, which has been adapted to protoplanetary disks. The data were analyzed together with existing CS J=3-2 observations. We fail to detect the SO and H$_2$S lines, although CS is detected in LkCa15, DM\,Tau, and GO\,Tau but not in MWC\,480. However, our new upper limits are significantly better than previous ones and allow us to put some interesting constraints on the sulfur chemistry. Our best modeling of disks is obtained for a C/O ratio of 1.2, starting from initial cloud conditions of H density of $2 imes 10^5$ cm$^{-3}$ and age of $10^6$ yr. The results agree with the CS data and are compatible with the SO upper limits, but fail to reproduce the H$_2$S upper limits. The predicted H$_2$S column densities are too high by at least one order of magnitude. H$_2$S may remain locked onto grain surfaces and react with other species, thereby preventing the desorption of H$_2$S.

研究の動機と目的

• 低質量星の周囲の原始惑星系円盤における硫黄含有分子の化学的組成を調査すること。
• 観測された上限値とモデル予測を比較することで、固体表面反応がH2Sの枯渇に果たす役割を評価すること。
• 現在の宇宙化学モデル（NAUTILUS）が、円盤における観測された分子濃度をどれだけ再現できるかを検証すること。
• 観測されたCSの数密度とSOおよびH2Sの上限値を最もよく再現する初期条件（H密度、年齢、C/O比）を制限すること。
• 観測されたH2S濃度とモデル予測との乖離を調査し、円盤化学において欠落している物理的プロセスの可能性を示すこと。

提案手法

• EMIR受信機を用いたIRAM 30m望遠鏡を用い、同時に高感度な単一望遠鏡観測を実施し、H2S（168.8 GHz）およびSO（99.3 GHz）を観測した。
• 新規データを既存のCS J=3-2観測と組み合わせ、円盤化学におけるマルチ分子制約セットを構築した。
• 原始惑星系円盤に適応させたNAUTILUS宇宙化学コードを用いて、さまざまな初期条件の下での分子濃度をシミュレートした。
• 初期H密度（2×10⁵ cm⁻³）、円盤年齢（10⁶ yr）、C/O比（1.2）といった主要パラメータを変化させ、最良の適合モデルを特定した。
• 放射線輸送および化学ネットワーク計算を用いて、数密度を予測し、観測された上限値と比較した。
• 予測されたH2S、SO、およびCSの数密度を観測上限値および検出結果と比較することで、モデルの性能を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜモデル予測とは対照的に、LkCa15、MWC480、DM Tau、およびGO Tauの周囲の円盤でH2Sが検出されないのか？
• RQ2 現在の宇宙化学モデルは、観測されたCSの数密度とSOおよびH2Sの上限値をどれほどよく再現できるか？
• RQ3 観測された分子濃度を最もよく再現する初期円盤条件（H密度、年齢、C/O比）は何か？
• RQ4 なぜ円盤における観測されたH2S/CO比が、ハール＝ボップ彗星の氷などと比較して少なくとも1000倍も低いのか？
• RQ5 固体表面反応のような物理的プロセスが、モデルで予測されるよりもH2Sが生成されない理由を説明できるか？

主な発見

• CSはLkCa15、DM Tau、およびGO Tauで検出されたが、MWC480では検出されず、円盤タイプによる硫黄化学の違いが示唆された。
• H2SおよびSOは検出されず、新たな上限値は過去の制約を著しく改善し、より厳密なモデル検証を可能にした。
• 最良の適合モデルでは、初期H密度2×10⁵ cm⁻³、円盤年齢10⁶ yr、C/O比1.2が必要であり、CS観測およびSOの上限値をよく再現した。
• SOおよびCSに関しては良好な一致を示したが、モデルは観測上限値と比較してH2Sの数密度を少なくとも1桁以上過剰に予測した。
• この乖離は、H2Sが固体表面に閉じ込められ、他の種に反応して脱着を防いでいる可能性を示唆している。
• 結果から、現在の円盤化学モデルは、特に紫外線放射を伴う高密度・低温度条件下での重要な固体表面反応を欠いている可能性がある。