[論文レビュー] Rotational Disruption of Dust and Ice by Radiative Torques in Protoplanetary Disks and Implications for Observations

Ngo-Duy Tung, Thiem Hoang|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2020

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 79被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、原始惑星系円盤（PPD）内のダスト粒子および氷被膜の回転破壊を放射トルク（RAT）が引き起こすと提案している。このプロセスにより、大粒状凝集体がナノ粒子に分解され、従来の予想よりも低い温度でも水や複雑な分子の急速な脱着が可能になる。主な結果として、このメカニズムは円盤表面におけるポリカルボン酸芳香族炭化水素（PAH）およびナノ粒子の観測濃度を説明でき、地球型惑星の炭素欠乏問題を解消し、水の雪線を拡大することで彗星形成を減少させ、小惑星形成を増加させる。

ABSTRACT

Dust and ice mantles on dust grains play an important role in various processes in protoplanetary disks (PPDs) around a young star, including planetesimal formation, surface chemistry, and being the reservoir of water in habitable zones. In this paper, we will perform two-dimensional modeling of rotational disruption of dust grains and ice mantles due to centrifugal force within suprathermally rotating grains spun-up by radiative torques for disks around T-Tauri and Herbig Ae/Be stars. We first study rotational disruption of large composite grains and find that large aggregates could be disrupted into individual nanoparticles via the RAdiative Torque Disruption (RATD) mechanism. We then study rotational desorption of ice mantles and ro-thermal desorption of molecules from the ice mantle. We will show that ice mantles in the warm surface layer and above of the disk can be disrupted into small icy fragments, followed by rapid evaporation of molecules. We suggest that the rotational disruption mechanism can replenish the ubiquitous presence of polycyclic aromatic hydrogen (PAHs)/ nanoparticles in the hot surface layers of PPDs as observed in mid-IR emission, which are presumably destroyed by extreme ultraviolet (UV) stellar photons. We show that the water snowline is more extended in the presence of rotational desorption, which would decrease the number of comets but increase the number of asteroids formed in the solar nebula. Finally, we suggest that the more efficient breakup of carbonaceous grains than silicates by RATD might resolve the carbon deficit problem measured on the Earth and rocky bodies.

研究の動機と目的

• 原始惑星系円盤（PPD）におけるダストおよび氷被膜の放射トルク（RAT）による回転破壊を調査すること。
• 極紫外放射によって破壊されるにもかかわらず、熱い表面層に恒久的に存在する多環芳香族炭化水素（PAH）およびナノ粒子の存在を説明すること。
• 回転破壊が氷被膜の脱着、雪線の広がり、および惑星天体の形成（彗星対小惑星）に与える影響を評価すること。
• 地球および岩石天体における長年の炭素欠乏問題を解決するため、炭素含有粒子の選択的破壊を提案すること。

提案手法

• T-Tauri星およびHerbig Ae/Be星の周囲に、フラレート幾何構造を持つ受動的放射線照射円盤モデルを用いて、PPDの2次元モデル化。
• RAdiative Torque Disruption（RATD）メカニズムを適用し、大粒複合ダスト粒子の遠心破壊をシミュレート。
• 急速に回転する粒子からの氷被膜の回転脱着および熱的脱着をモデル化し、ポテンシャル障壁の低下に起因する脱着速度の増加を組み込む。
• 衝突時間および昇華閾値と比較して、破壊および脱着の timescales を計算。
• 特に可視光〜中赤外波長域における散乱光学深さの変化を、回転破壊の影響として定量化。
• B-RATアライメント効果による粒子整列の分析を行い、炭素含有粒子とケイ酸塩粒子における破壊効率の比較を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原始惑星系円盤内において、放射トルクは大粒ダスト凝集体をナノ粒子にどの程度効率的に破壊するか？
• RQ2 氷被膜の回転破壊は、150 K未満の温度でも水および複雑な有機分子（COMs）の急速な脱着を説明できるか？
• RQ3 回転破壊は、古典的熱的昇華限界を超えて有効な水の雪線をどの程度まで拡大するか？
• RQ4 極紫外放射によって破壊されるはずのPAHおよびナノ粒子が、なぜ熱い円盤表面層に観測されるのか？
• RQ5 RATDによる炭素含有粒子の選択的破壊は、地球および岩石天体における観測された炭素欠乏問題を説明できるか？

主な発見

• RATDメカニズムは、大粒複合ダスト粒子（a ≳0.1 µm）をナノ粒子に効率的に破壊し、その破壊timescaleは、PPDの温かく熱い表面層における粒子同士の衝突時間よりも短い。
• 氷被膜の回転破壊は、粒子温度Td ∼30–150 Kの範囲でも発生し、微小な氷被膜からのローターマル脱着により、水および複雑な有機分子（COMs）の急速な脱着が可能になる。
• サイズa ∼0.1–10 µmの粒子の回転破壊は、可視光および中赤外波長域における散乱光学深さを顕著に低下させ、これによりPPDの散乱光観測において考慮すべき要因となる。
• このメカニズムは、極紫外放射によって破壊されるはずのPAHおよびナノ粒子が、実際に観測される現象を再現でき、その恒久的存続のパラドックスを解消する。
• 回転脱着によって定義される水の雪線は、古典的昇華限界を越えて拡大し、これにより彗星形成が減少し、小惑星形成が増加する。T-Tauri円盤では全氷質量の破壊量が10²³–10²⁴ g、Herbig Ae/Be円盤では10²⁵ gと推定される。
• B-RATアライメントが弱いため、炭素含有粒子はケイ酸塩粒子よりも回転破壊が効率的であり、大粒炭素粒子がナノ粒子に効率的に変換されることで、地球型惑星における炭素欠乏問題の解決策が得られる。