[論文レビュー] Reduction of chemical networks. II. Analysis of the fractional ionisation in protoplanetary discs

D. S. Semenov, D. S. Wiebe+1 more|ArXiv.org|Mar 23, 2004

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 35被引用数 94

ひとこと要約

本稿では、10⁶年間にわたる原始惑星系円盤における分数イオン化を正確にモデル化するための簡略化された化学ネットワークを開発した。その結果、三つの異なるイオン化層が特定された。低イオン化の中間面は宇宙線と放射性核種に支配され（10種類の種、約10反応）、中間層はX線と炭素鎖の表面水素化によって駆動され（100種類以上、数百の反応）、表面層は紫外線光イオン化によって支配される（20種類、約20反応）。平衡近似（xₑ = √(ζ/βn_H)）は動的状態、特に中間層において不成立であり、非平衡化学が支配的である。

ABSTRACT

(abridged) We analyse the evolution of the fractional ionisation in a steady-state protoplanetary disc with a vertical temperature gradient and with gas-grain chemistry including surface reactions. The ionisation due to stellar X-rays, stellar and interstellar UV radiation, cosmic rays and radionuclide decay is taken into account. Using our reduction schemes as a tool for the analysis, we isolate small sets of chemical reactions that reproduce the evolution of the ionisation degree at representative disc locations with an accuracy of 50%-100%. Column densities of key molecules are calculated and compared to the results of other recent studies and observational data.

研究の動機と目的

• 10⁶年間にわたる定常状態の原始惑星系円盤における時間依存的分数イオン化を、多様なイオン化源とガス-粒子化学を考慮して解析すること。
• 異なる円盤領域で50%〜100%の精度でイオン化の時間的進化を再現できる最小限の化学ネットワークを特定・分離すること。
• 一般的に用いられるイオン化平衡の仮定（xₑ = √(ζ/βn_H)）を、特に中間層で非平衡状態が支配的である動的条件下でその不正確さを示すことにより、これを疑問視すること。
• 表面反応、特に長鎖炭素鎖の水素化が、X線放射にさらされる中間層におけるイオン化制御に果たす役割を評価すること。
• MHDモデリングに使用可能な簡略化ネットワークを提供するが、動的状況における制限を認識すること。

提案手法

• 論文Iで開発された種別ネットワーク簡略化手法を応用し、代表的な円盤位置におけるイオン化進化を制御する主要な種と反応を特定する。
• 表面化学を含む完全なUMIST 95ネットワークを基準とし、恒星からのX線、紫外線、宇宙線、および放射性核種崩壊によるイオン化を考慮する。
• 10〜120種の種とそれに相当する反応を含む簡略化ネットワークを構築し、10⁶年間にわたって分数イオン化を2倍以内の誤差で再現できるように選別する。
• 特に炭素鎖の水素化に寄与するダスト粒子表面反応を組み込み、中間層におけるイオン化をモデル化する。
• 簡略化ネットワークの結果を、平衡イオン化（xₑ = √(ζ/βn_H)）および柱密度観測データと比較する。
• 中間面（遮蔽済み）、中間層（X線放射）、表面（紫外線放射）という三つの円盤層におけるネットワーク性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙線、放射性核種、X線、紫外線といった異なるイオン化源が、原始惑星系円盤の異なる領域における分数イオン化にどのように寄与しているか？
• RQ2 標準的な平衡イオン化式 xₑ = √(ζ/βn_H) は、動的状態の円盤条件における時間依存的イオン化をどれほど正確に表現できるか？
• RQ3 表面反応、特に長鎖炭素鎖の水素化が、X線放射にさらされる中間層におけるイオン化の維持に果たす役割は何か？
• RQ4 なぜ中間層の簡略化ネットワークは100種類以上の種と数百の反応を必要とするのに対し、中間面と表面層でははるかに少ないのか？
• RQ5 簡略化ネットワークはMHDシミュレーションによる円盤進化のモデル化に信頼性を持って使用可能か？動的進化系における制限は何か？

主な発見

• 中間面は高エネルギー放射から遮蔽されているため、分数イオン化が極めて低く（≤10⁻¹²）維持され、宇宙線と放射性核種にのみ依存しており、正確なモデル化には約10種類の種と約10反応で十分である。
• 中間層ではX線がイオン化を支配するが、長鎖炭素鎖（最大C6まで）の生成と反応性の高さにより化学が極めて複雑であり、100種類以上の種と数百の反応を含む簡略化ネットワークが必要となる。
• 炭素鎖の表面水素化は、中間層におけるイオン化制御に不可欠なプロセスであることが特定されたが、従来の簡易モデルでは無視されていた要因である。
• 平衡イオン化式 xₑ = √(ζ/βn_H) は中間面および表面層では真のイオン化値と2倍以内の誤差で一致するが、非平衡ダイナミクスが支配する中間層では不成立である。
• 表面層ではイオン化は主にC⁺の光イオン化と再結合によって支配され、標準的なβ値ではなく1.4×10⁻¹³T⁻⁰.⁶¹の再結合係数が必要であり、平衡状態に達するのは100年未塔である。
• 簡略化ネットワークは、定常状態から導出されたものであるため、動的MHDモデルへの直接的適用は困難であるが、120種の種を含む1つの統合ネットワークに統合することで、将来的な時間依存シミュレーションへの利用が可能になる。