[論文レビュー] On the ionisation fraction in protoplanetary disks III. The effect of X-ray flares on gas-phase chemistry

M. Ilgner, Richard P. Nelson|ArXiv.org|May 11, 2006

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 22被引用数 25

ひとこと要約

本研究では、時間に依存する化学モデルを用いて、T Tauri星のX線フレアが原始惑星環状円盤内のイオン化度およびデッドゾーン構造に与える影響を調査する。フレアが発生すると、プラズマ温度が上昇し、気体相に存在する重金属（例：マグネシウム）が存在する場合、特に0.5–2 AUおよび外縁領域において、デッドゾーンが一時的に消失または顕著に減少することが判明した。ただし、フレア持続時間が短いため、MRI乱流が完全に発達しない可能性がある。

ABSTRACT

Context. Recent observations of the X-ray emission from T Tauri stars in the Orion nebula have shown that they undergo frequent outbursts in their X-ray luminosity. These X-ray flares are characterised by increases in luminosity by two orders of magnitude, a typical duration of less than one day, and a significant hardening of the X-ray spectrum. Aims. It is unknown what effect these X-ray flares will have on the ionisation fraction and dead-zone structure in protoplanetary disks. We present the results of calculations designed to address this question. Methods. We have performed calculations of the ionisation fraction in a standard $α$-disk model using two different chemical reaction networks. We include in our models ionisation due to X-rays from the central star, and calculate the time-dependent ionisation fraction and dead--zone structure for the inner 10 AU of a protoplanetary disk model. Results. We find that the disk response to X-ray flares depends on whether the plasma temperature increases during flares and/or whether heavy metals (such as magnesium) are present in the gas phase. Under favourable conditions the outer disk dead--zone can disappear altogether,and the dead-zone located between 0.5 < R < 2 AU can disappear and reappear in phase with the X-ray luminosity. Conclusions. X-ray flares can have a significant effect on the dead-zone structure in protoplanetary disks. Caution is required in interpreting this result as the duration of X-ray bursts is considerably shorter than the growth time of MHD turbulence due to the magnetorotational instability.

研究の動機と目的

• X線フレアが原始惑星環状円盤内のイオン化度およびデッドゾーン構造に与える影響を評価すること。
• 短時間継続のX線フレアが、もともと静穏な円盤領域で一時的に磁気流体力学（MHD）乱流を活性化できるかどうかを特定すること。
• フレア中におけるプラズマ温度の硬化および気体相に存在する重金属（例：マグネシウム）の役割が、イオン化度をどのように向上させるかを評価すること。
• 化学反応ネットワークを用いて、周期的なX線噴出に伴う円盤イオン化度の時間依存的応答を検討すること。
• フレア持続時間とMRI成長 timescale の不一致を考慮した場合、MRI駆動乱流がフレア条件下で成立する可能性を評価すること。

提案手法

• 原始惑星環状円盤の内側10 AUをカバーする標準的なα-ディスクモデルを用いた。
• 2種類の化学反応ネットワークを適用：1つはOppenheimer & Dalgarno (1974) に基づくもの、もう1つはUMISTデータベースからのもの。
• Chandra観測から得られたフレアパラメータを用いて、時間に依存するX線イオン化を導入：放射能が約100倍に増加、持続時間は1日未満、プラズマ温度は約3 keVから約7 keVに上昇。
• 1次元垂直ディスクモデルにオーム抵抗を組み込み、時間に依存するイオン化度およびデッドゾーンの深さを計算した。
• MRI安定性を評価するため、磁気レイノルズ数（Re_m）を計算し、臨界閾値（Re_m^crit ≈ 100）と比較した。
• MHDモードの拡散および成長 timescale を評価し、フレアサイクル全体にわたって乱流が維持可能かどうかを判断した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 X線フレアは、原始惑星環状円盤の異なる径方向領域におけるイオン化度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 どのような条件下でX線フレアが、円盤内のデッドゾーンの深さを一時的に消失または減少させることができるか？
• RQ3 フレア中にプラズマ温度が硬化することで、特に気体相に存在する重金属（例：マグネシウム）が存在する場合、イオン化度が顕著に向上するか？
• RQ4 MRI成長 timescale がフレア持続時間より長い場合、フレア中にMHD乱流が生成可能か？
• RQ5 繰り返しフレアが発生した場合、磁場増幅および円盤乱流に及ぼす長期的影響は何か？

主な発見

• X線フレアが発生すると、プラズマ温度が上昇し、気体相にわずかに存在するマグネシウムが存在する場合、外縁領域（R > 2 AU）のデッドゾーンが完全に消失する。
• 0.5–2 AU領域では、フレア中にはデッドゾーンが完全に消失し、静穏期間中に再形成されるため、X線活動に時間的にロックされた応答を示す。
• 最も速いモードのMRI成長 timescale（約12時間）は、通常のフレア持続時間（1日未満）を上回るため、乱流が成長する前に磁場増幅が拡散されてしまうと考えられる。
• 長波長MHDモードは、最大で約5日間生存する可能性があるため、5日未満の周期で繰り返されるフレアが、徐々に磁場増幅をもたらす可能性がある。
• 微粒子の存在割合が10^−4から10^−8にまで低下する場合に限り、気体相化学の仮定が成り立つため、微粒子の成長と沈降が進行した進化済み円盤において関連性がある。
• フレア中に電子が微粒子表面から脱吸され、フレア間隔中に再吸着する現象が、観測されたデッドゾーンダイナミクスを模倣する可能性があり、未だ定量化されていないフィードバック機構の可能性を示唆している。