[論文レビュー] Upper limits on CH$_3$OH in the HD 163296 protoplanetary disk: evidence for a low gas-phase CH$_3$OH/H$_2$CO ratio

M. T. Carney, M. R. Hogerheijde+7 more|White Rose Research Online (University of Leeds, The University of Sheffield, University of York)|Jan 9, 2019

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 74被引用数 22

ひとこと要約

本研究では、ALMA観測を用いてHD 163296原始惑星系円盤における気体相メタノール（CH₃OH）の検出を試み、検出されず、円盤平均の吸収係数に対して3σ上限として<5.0×10¹¹ cm⁻²が得られた。得られたCH₃OH/H₂CO比は<0.24であり、TW Hydrae円盤で観測された1.27の比とは顕著に低い。これは、HD 163296のヘルビッヒAe星であるがゆえに、星からの放射照射の違いが、ホルマールデヒドローゲンに比べメタノールの豊度を抑制するなど、円盤の化学的複雑性に強く影響していることを示している。

ABSTRACT

Methanol (CH$_3$OH) is at the root of organic ice chemistry in protoplanetary disks. However, its weak emission has made detections difficult. To date, gas-phase CH$_3$OH has been detected in only one Class II disk, TW Hya. We use the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) to search for a total of four CH$_3$OH emission lines in bands 6 and 7 toward the disk around the young Herbig Ae star HD 163296. The disk-averaged column density of methanol and its related species formaldehyde (H$_2$CO) are estimated assuming optically thin emission in local thermodynamic equilibrium. We compare these results to the gas-phase column densities of the TW Hya disk. No targeted methanol lines were detected individually nor after line stacking. The 3$σ$ disk-integrated intensity upper limits are $&lt; 51$ mJy km s$^{-1}$ for the band 6 lines and $&lt; 26$ mJy km s$^{-1}$ for the band 7 lines. The band 7 lines provide the strictest 3$σ$ upper limit on disk-averaged column density with $N_{\mathrm{avg}} &lt; 5.0 imes 10^{11}$ cm$^{-2}$. The methanol-to-formaldehyde ratio is CH$_3$OH/H$_2$CO $&lt; 0.24$ in the HD 163296 disk compared to a ratio of $1.27$ in the TW Hya disk. Differences in the stellar irradiation of Herbig disks compared to T Tauri disks likely influence the gaseous methanol and formaldehyde content. Possible reasons for the lower HD 163296 methanol-to-formaldehyde ratio include: a higher than expected gas-phase formation of H$_2$CO in the HD 163296 disk, uncertainties in the grain surface formation efficiency of CH$_3$OH and H$_2$CO, and differences in the disk structure and/or CH$_3$OH and H$_2$CO desorption processes that release the molecules from ice mantles back into the gas phase. These results provide observational evidence that the gas-phase chemical complexity found in disks may be strongly influenced by the spectral type of the host star.

研究の動機と目的

• 原始惑星系円盤としてのastro化学的研究の重要な対象であるHD 163296円盤における気体相メタノールの豊度を制約すること。
• 特にメタノールが生命前駆体化学経路に果たす役割を含め、円盤中層の化学的環境を調査すること。
• HD 163296円盤におけるメタノールとホルマールデヒドローゲンの豊度を、TW Hydrae円盤のそれらと比較し、星の種別に依存する化学反応を解明すること。
• 星からの放射照射が原始惑星系円盤における主要有機分子の脱着および生成に与える影響を評価すること。

提案手法

• CH₃OHの4本の線（241.7 GHzおよび304.2 GHz）を対象とし、ALMAバンド6およびバンド7の観測を実施した。
• 信号対雑音比を向上させるために、画像平面でケプラーランマスク処理を適用した。
• 弱く拡張した線を検出する感度を向上させるために、uv平面でマッチドフィルタ解析を実施した。
• 複数の遷移を統合することで、低信号特徴の検出感度を向上させるために、ラインスタッキングを実施した。
• 光学的薄さと局所熱力学的平衡（LTE）の仮定の下で、円盤平均の吸収係数を推定した。
• 事前観測で測定されたH₂COの吸収係数と比較することで、メタノール対ホルマールデヒドローゲン比を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HD 163296原始惑星系円盤における気体相メタノールの豊度は何か？他の既知の円盤と比べてどうか？
• RQ2 メタノールが氷被膜上に形成されるはずであるにもかかわらず、なぜ原始惑星系円盤でメタノールが検出されにくいのか？
• RQ3 HD 163296円盤におけるCH₃OH/H₂CO比はTW Hydrae円盤と比べてどうか？これは円盤化学に何を示唆するか？
• RQ4 主星のスペクトル型（ヘルビッヒAe対Tタウリ星）が、主要有機分子の気体相豊度にどの程度影響を与えるか？
• RQ5 HD 163296における期待値より低いCH₃OH/H₂CO比を説明する物理的または化学的プロセスは何か？

主な発見

• HD 163296ではCH₃OHの線は検出されず、バンド6では<51 mJy km s⁻¹、バンド7では<26 mJy km s⁻¹の3σ上限が得られた。
• バンド7のCH₃OH 2₁₁–2₀₂ (A)線から得られた、円盤平均のCH₃OH吸収係数に対する最も厳しい上限は<5.0×10¹¹ cm⁻²であった。
• HD 163296におけるCH₃OH/H₂CO比は<0.24に制限され、TW Hydrae円盤で測定された1.27の比とは顕著に低い。
• 低めのCH₃OH/H₂CO比は、HD 163296のヘルビッヒAe星からの高い星放射照射が、有機分子の化学経路や脱着効率を変化させている可能性を示唆している。
• 可能性として、気相でのH₂CO生成が促進され、H₂COの表面での水素化反応によるCH₃OH生成が非効率的である、あるいはCH₃OHとH₂COの脱着プロセスに差があることが挙げられる。
• これらの結果は、原始惑星系円盤の化学的複雑性が、母星のスペクトル型および放射環境に強く依存しているという観測的証拠を提供している。