[논문 리뷰] ALMA chemical survey of disk-outflow sources in Taurus (ALMA-DOT). IV. Thioformaldehyde (H$_2$CS) in protoplanetary disks: spatial distributions and binding energies

C. Codella, L. Podio외 11명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 04.

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한 줄 요약

이 연구는 태양계 규모의 원형성원성원반에서 티오포르말데히드(H₂CS)의 첫 번째 ALMA 영상 결과를 제시하며, HL Tau에서는 140 au 이내, IRAS04302+2247에서는 115 au 이내의 반경에서 회전하는 분자 고리에서의 공간 분포를 규명하였다. 고해상도(40 au) 관측과 양자화학 계산을 통해 H₂CS의 방출 피크가 H₂CO나 CS보다 별에 더 가까이 위치하는 것으로 나타났으며, 이는 더 높은 자극 에너지(60 K) 때문이었다. 또한 기체상 농도가 관측된 것과 일치하지 않아 열탈착만으로는 설명할 수 없으며, 이는 외부 원반 영역에서 상당한 비열탈착 과정이 작용하고 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Aims: To trace the radial and vertical spatial distribution of H2CS, a key species of the S-bearing chemistry, in protoplanetary disks. To analyse the observed distributions in light of the H2CS binding energy, in order to discuss the role of thermal desorption in enriching the gas disk component. Methods: In the context of the ALMA chemical survey of Disk-Outflow sources in the Taurus star forming region (ALMA-DOT), we observed five Class I or early Class II sources with the o-H2CS(7_1,6-6_1,5) line on a 40 au scale. We estimated the binding energy (BEs) of H2CS using quantum mechanical calculations, for the first time, for an extended, periodic, crystalline ice. Results: We imaged H2CS in two rotating molecular rings in the HL Tau and IRAS04302+2247 disks. The outer radii are about 140 au (HL Tau), and 115 au (IRAS 04302+2247). The edge-on geometry of IRAS 04302+2247 reveals that H2CS emission peaks, at radii of 60-115 au, at z = +- 50 au from the equatorial plane. The column densities are about 10^14 cm^-2. For HL Tau, we derive, for the first time, the [H2CS]/[H] abundance in a protoplanetary disk (about 10^-14). The BEs of H2CS computed for extended crystalline ice and amorphous ices is 4258 K and 3000-4600 K, respectively, implying a thermal evaporation where dust temperature is larger than 50-80 K. Conclusions: H2CS traces the so-called warm molecular layer, a region previously sampled using CS, and H2CO. Thioformaldehyde peaks closer to the protostar than H2CO and CS, plausibly due to the relatively high-excitation level of observed 7_1,6-6_1,5 line (60 K). The H2CS BEs implies that thermal desorption dominates in thin, au-sized, inner and/or upper disk layers, indicating that the observed H2CS emitting up to radii larger than 100 au is likely injected in the gas due to non-thermal processes.

연구 동기 및 목표

• 태양계 규모의 원형성원성원반에서 H₂CS의 반경 및 수직 분포를 맵핑하기 위해.
• 양자역학적 계산을 통해 결정성 얼음 및 비정질 얼음에서 H₂CS의 결합 에너지를 결정하기 위해.
• 관측된 공간 분포를 바탕으로 열탈착이 기체상으로 H₂CS를 방출하는 데 기여하는 정도를 평가하기 위해.
• 원반 중면 및 층에서 H₂CS 방출을 H₂CO 및 CS와 비교하여 형성 및 탈착 메커니즘을 추론하기 위해.
• 원형성원성원반에서의 첫 번째 [H₂CS]/[H] 농도 비율을 유도하기 위해.

제안 방법

• 40 au 해상도의 ALMA Band 6 관측을 통해 태우루스의 5개의 Class I/초기 Class II 소스에서 o–H₂CS(7₁,₆–6₁,₅) 선을 타겟으로 하였다.
• LTE 조건 하에서의 3차원 복사전달 모델링을 통해 H₂CS의 기저 밀도 및 공간 분포를 유도하였다.
• 확장된 결정성 얼음 및 비정질 수증기 얼음(AWS) 모델에서 H₂CS의 결합 에너지를 계산하기 위해 양자역학적 계산을 수행하였다.
• 결합 에너지 값은 먼지 온도 ≥50–80 K일 경우에만 의미 있는 기화가 일어날 것으로 가정하여 열탈착 임계값을 모델링하는 데 사용되었다.
• 자극 및 탈착 영향을 평가하기 위해 H₂CO 및 CS 방출과의 비교 분 析를 수행하였다.
• DG Tau, DG Tau B, Haro 6-13에서는 비검출로 인해 H₂CS 기저 밀도의 상한선을 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원형성원성원반의 반경 및 수직 구조에서 H₂CS는 어디에 분포되어 있으며, H₂CO 및 CS와의 방출은 어떻게 비교되는가?
• RQ2 결정성 및 비정질 얼음에서 H₂CS의 결합 에너지는 얼마이며, 이는 원반에서 열탈착에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 유사한 화학 반응에도 불구하고 H₂CS 방출 피크가 H₂CO 및 CS보다 별에 더 가까이 위치하는 이유는 무엇인가?
• RQ4 100 au 이상의 반경에서 관측된 H₂CS 기체상 농도는 열탈착만으로 설명될 수 있는가?
• RQ5 외부 원반 영역에서 H₂CS를 기체상으로 방출시키는 데 기여할 만한 탈착 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• H₂CS 방출은 두 개의 회전하는 분자 고리에 국한되어 있으며, HL Tau에서는 140 au, IRAS04302+2247에서는 115 au에서 관측되었다.
• IRAS04302+2247에서 H₂CS 방출 피크는 중면에서 ±50 au 떨어진 곳에 위치하여 따뜻한 분자층에 존재함을 확인하였다.
• LTE 가정 하에서 두 원반 모두에서 H₂CS 기저 밀도는 약 10¹⁴ cm⁻²였다.
• HL Tau에서의 [H₂CS]/[H] 농도 비율은 약 10⁻¹⁴로, 원형성원성원반에서의 첫 번째 측정치였다.
• 결정성 얼음에서 H₂CS의 결합 에너지는 4258 K였고, 비정질 얼음에서는 3000–4600 K의 범위를 보였다. 이는 열탈착이 먼지 온도 ≥50–80 K일 때에만 발생할 수 있음을 시사한다.
• 100 au 이상의 반경에서 관측된 H₂CS 방출은 열탈착만으로는 설명할 수 없으며, 이는 광탈착, 우주선 탈착 또는 반응성 탈착 등 상당한 비열탈착 과정이 작용하고 있음을 시사한다.