[論文レビュー] On the Ionisation Fraction in Protoplanetary Disks II: The Effect of Turbulent Mixing on Gas--phase Chemistry

M. Ilgner, Richard P. Nelson|ArXiv.org|Sep 19, 2005

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 27被引用数 40

ひとこと要約

本研究では、ガス相化学ネットワークを用いて物質の垂直拡散をモデル化することで、乱流混合が原始惑星系円盤内のイオン化分率に与える影響を調査している。乱流拡散が金属イオンによる再結合を抑制し、磁気的に分離された「デッドゾーン」を解消することで、自己持続的MHD乱流を可能にする。この現象は、マグネシウムの質量関係が閾値（$x_{\rm Mg} \sim 10^{-10}$–$10^{-8}$）を超えた場合に顕著に現れる。

ABSTRACT

We calculate the ionisation fraction in protostellar disk models using two different gas-phase chemical networks, and examine the effect of turbulent mixing by modelling the diffusion of chemical species vertically through the disk. The aim is to determine in which regions of the disk gas can couple to a magnetic field and sustain MHD turbulence. We find that the effect of diffusion depends crucially on the elemental abundance of heavy metals (magnesium) included in the chemical model. In the absence of heavy metals, diffusion has essentially no effect on the ionisation structure of the disks, as the recombination time scale is much shorter than the turbulent diffusion time scale. When metals are included with an elemental abundance above a threshold value, the diffusion can dramatically reduce the size of the magnetically decoupled region, or even remove it altogther. For a complex chemistry the elemental abundance of magnesium required to remove the dead zone is 10(-10) - 10(-8). We also find that diffusion can modify the reaction pathways, giving rise to dominant species when diffusion is switched on that are minor species when diffusion is absent. This suggests that there may be chemical signatures of diffusive mixing that could be used to indirectly detect turbulent activity in protoplanetary disks. We find examples of models in which the dead zone in the outer disk region is rendered deeper when diffusion is switched on. Overall these results suggest that global MHD turbulence in protoplanetary disks may be self-sustaining under favourable circumstances, as turbulent mixing can help maintain the ionisation fraction above that necessary to ensure good coupling between the gas and magnetic field.

研究の動機と目的

• 乱流混合が原始惑星系円盤内のイオン化構造に与える影響、特に磁場結合に関連して評価すること。
• 乱流拡散が低イオン化状態の円盤における磁気的に分離された領域（「デッドゾーン」）を低減または除去できるかどうかを評価すること。
• 重い金属、特にマグネシウムが拡散条件下での再結合経路とイオン化分率に与える影響を調査すること。
• 乱流混合の化学的痕跡が、円盤の乱流を間接的に観測的診断として用いることができるかどうかを検討すること。
• 拡散とイオン化化学のフィードバックによって、グローバルなMHD乱流が自己持続的になる条件を評価すること。

提案手法

• X線によるイオン化を主なイオン化源とする標準的な$\alpha$-ディスクとして原始惑星系円盤をモデル化すること。
• 2種類のガス相化学ネットワークを用いる：簡略化されたOppenheimer & Dalgarno (1974) ネットワークと、UMISTデータベースに基づく複雑なネットワーク。
• 拡散係数$\mathcal{D}$を運動粘性係数$\nu$に等しくすることで、垂直方向の乱流拡散を実装すること。
• 全化学種（電子および主要なイオンを含む）の時間に依存する拡散-反応方程式を解くこと。
• マグネシウムの質量関係を変化させながら、拡散あり・なしの両状態でイオン化分率とデッドゾーン構造を比較すること。
• 混合効果による主要なイオン種や再結合経路の変化を分析すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 乱流混合は、原始惑星系円盤内の磁気的に分離された「デッドゾーン」を低減または除去できるか？
• RQ2 マグネシウムのような重い金属の導入が、イオン化を維持するための乱流拡散の有効性にどのように影響するか？
• RQ3 再結合を顕著に抑制し、磁気的結合を維持するために必要なマグネシウムの閾値質量関係は何か？
• RQ4 拡散条件下での主要イオン種の変化は、乱流の検出可能な化学的痕跡を示すか？
• RQ5 どのような条件下で、乱流混合が円盤内での自己持続的MHD乱流を引き起こすか？

主な発見

• マグネシウムの質量関係が$x_{\rm Mg} = 10^{-10}$を超えた場合、UMISTベースのモデルでは$R \geq 2$ AUの領域でデッドゾーンが消失する。
• Oppenheimer & Dalgarno ネットワークでは、乱流拡散が有効な状態でマグネシウムの質量関係が$x_{\rm Mg} = 10^{-12}$に達するだけで、$R \geq 2$ AUの領域でデッドゾーンが消失する。
• 重い金属を含まないモデルでは、分子イオンと電子の再結合が急速に進行するため、拡散の影響はデッドゾーンに対して最小限にとどまる。
• 金属イオン（例：Mg+）の再結合時間は、分子イオンに比べて桁違いに長く、金属が存在する場合、拡散が電子損失を上回る。
• 乱流混合は化学経路を変化させ、デッドゾーン境界付近で主要なイオン種が変化する傾向を示し、これは乱流の化学的トレーサーとしての可能性を示唆する。
• 一部の状況では、電子分率が磁気的結合の臨界閾値を下回るように希釈されることで、外側領域のデッドゾーンが深くなることがある。