[論文レビュー] Consistent dust and gas models for protoplanetary disks: II. Chemical networks and rates

I. Kamp, W.‐F. Thi+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 100被引用数 23

ひとこと要約

本研究では、原始惑星系円盤のモデル化に用いる一貫性のある化学ネットワークおよび反応速度データベースを構築し、ProDiMoを用いて、ネットワークの規模、反応速度データベース（例：UMIST、KIDA）、および氷被膜を有するチリ表面の化学（純粋な表面対極性氷被膜）が分子の豊度および線輝度に与える影響を評価した。主な結果として、氷の組成と吸着エネルギーが降雪線の位置とN2H+の線輝度に顕著な影響を及ぼすことが示され、反応速度データベースの選択がCO同素体、CN、N2H+の線輝度に最大25%の差をもたらすことが判明した。これは、円盤モデル化において一貫性のある化学的入力をとることの重要性を強調している。

ABSTRACT

Aims. We define a small and large chemical network which can be used for the quantitative simultaneous analysis of molecular emission from the near-IR to the submm. We revise reactions of excited molecular hydrogen, which are not included in UMIST, to provide a homogeneous database for future applications. Methods. We use the thermo-chemical disk modeling code ProDiMo and a standard T Tauri disk model to evaluate the impact of various chemical networks, reaction rate databases and sets of adsorption energies on a large sample of chemical species and emerging line fluxes from the near-IR to the submm wavelength range. Results. We find large differences in the masses and radial distribution of ice reservoirs when considering freeze-out on bare or polar ice coated grains. Most strongly the ammonia ice mass and the location of the snow line (water) change. As a consequence molecules associated to the ice lines such as N2H+ change their emitting region; none of the line fluxes in the sample considered here changes by more than 25% except CO isotopologues, CN and N2H+ lines. The three-body reaction N+H2+M plays a key role in the formation of water in the outer disk. Besides that, differences between the UMIST 2006 and 2012 database change line fluxes in the sample considered here by less than a factor 2 (a subset of low excitation CO and fine structure lines stays even within 25%); exceptions are OH, CN, HCN, HCO+ and N2H+ lines. However, different networks such as OSU and KIDA 2011 lead to pronounced differences in the chemistry inside 100 au and thus affect emission lines from high excitation CO, OH and CN lines. H2 is easily excited at the disk surface and state-to-state reactions enhance the abundance of CH+ and to a lesser extent HCO+. For sub-mm lines of HCN, N2H+ and HCO+, a more complex larger network is recommended. ABBREVIATED

研究の動機と目的

• 炭素、酸素、窒素の化学を人工的な消失源を用いずに結びつける、一貫性があり物理的に妥当な原始惑星系円盤用の化学ネットワークを構築すること。
• 反応速度データベース（例：UMIST 2006 対 2012、KIDA 2011、OSU）の違いが分子の豊度および線輝度に与える影響を評価すること。
• チリ表面の組成（純粋な表面対極性氷被膜）および吸着エネルギーの違いが、氷の貯留量と降雪線の位置に与える影響を調査すること。
• 三体反応（特にN + H2 + M）が水生成に果たす役割と、X線およびUV誘発脱着が分子化学に与える影響を評価すること。
• 今後の円盤モデル化のベンチマークを提供するため、観測線データの信頼性のある解釈に影響を与える主要な反応およびデータギャップを同定すること。

提案手法

• 本研究では、標準的なT型Tauri円盤モデルを用いて、0.5 Myr以上の年齢における定常化学をシミュレートするため、ProDiMo熱化学円盤コードを用いた。
• ネットワークの規模への感受性を評価するため、小規模および大規模の化学ネットワーク（KIDA 2011、OSU、およびカスタムネットワーク）を複数テストした。
• 反応速度データベースの系統的比較を実施し、UMIST 2006、UMIST 2012、および代替データベースを用い、水生成に重要な反応（例：N + H2 + M）に注目した。
• 吸着エネルギーを4つのセット（Aikawa、GH06、UMIST2012、温度依存値）に変化させ、氷の生成および脱着に与える影響を評価した。
• 線輝度を近赤外からサブミリ波長にわたり計算し、モデル間での線強度の差を定量化した。
• X線化学は、文献からの電離断面積および再結合率を用いてモデル化し、NeおよびArの電荷交換反応も含めた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる化学ネットワークの規模が、原始惑星系円盤における主要分子の予測豊度および線輝度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 反応速度データベースの違い（例：UMIST 2006 対 2012）が、CO同素体、CN、N2H+ の線輝度にどの程度影響を与えるか？
• RQ3 チリ表面の組成（純粋な表面対極性氷被膜）が、氷貯留量および降雪線の位置に与える影響は何か？
• RQ4 三体反応（特にN + H2 + M）が、外側円盤における水生成に果たす影響は何か？
• RQ5 吸着エネルギーの違いが、CO、HCN、N2H+ などの分子の線輝度に与える影響は何か？

主な発見

• アンモニア氷の質量および水の降雪線の位置は、チリ表面の組成に強く依存しており、極性氷被膜を有する表面では純粋な表面と比べて顕著に異なる氷貯留量が得られた。
• 異なる吸着エネルギーのセットを用いることで、CO同素体、CN、N2H+ の線輝度が25%以上変化し、表面化学に極めて感受することが示された。
• 三体反応N + H2 + Mは、外側円盤における水生成に重要な役割を果たし、その反応速度が氷および気相化学に顕著な影響を与える。
• UMIST 2006と2012のデータベースの差は、大多数の分子では線輝度に2倍未満の差をもたらすが、OH、CN、HCN、HCO+、N2H+ の線には例外的である。
• KIDA 2011 や OSU といった大規模ネットワークでは、100 au以内で化学に顕著な差が生じ、高励起状態のCO、OH、CNの線に影響を与えた。
• 状態間反応は、円盤表面におけるCH+およびHCO+の豊度を増加させ、HCN、N2H+、HCO+ のサブミリ線の正確なモデル化にはより複雑なネットワークが推奨される。