[논문 리뷰] Chemistry in Disks. V: CN and HCN in proto-planetary disks

Edwige Chapillon, S. Guilloteau외 3명|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 26.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 49인용 수 34

한 줄 요약

이 연구는 IRAM Plateau de Bure Interferometer를 통해 얻은 고해상도 ALMA 유사 관측을 이용해 세 개의 태행성원반(지름 태, LkCa 15, MWC 480)에서 CN과 HCN를 맵핑하여, 예상치 못한 저온 상태의 진동 온도(8–10 K)와 높은 CN/HCN 비율(5–10)을 규명하였다. 이는 현재의 화학 모델에 도전하는 결과이며, 냉각된 원반 중앙면에서 기체상 CN과 HCN가 지속적으로 존재할 수 있음을 시사한다. 이는 동결 응집의 비효율성 또는 증가한 Lyα 복사의 영향일 수 있으며, 저온에서의 표면 입자 화학에 대한 이해가 아직 부족함을 나타낸다.

ABSTRACT

The chemistry of proto-planetary disks is thought to be dominated by two major processes: photodissociation near the disk surface, and depletion on dust grains in the disk mid-plane, resulting in a layered structure with molecules located in a warm layer above the disk mid-plane. We attempt here to confront this warm molecular layer model prediction with the distribution of two key molecules for dissociation processes: CN and HCN. Using the IRAM Plateau de Bure interferometer, we obtained high spatial and spectral resolution images of the CN J=2-1 and HCN J=1-0 lines in the disks surrounding the two T-Tauri DM Tau and LkCa 15 and the Herbig Ae MWC 480. Disk properties are derived assuming power law distributions. The hyperfine structure of the observed transitions allows us to constrain the line opacities and excitation temperatures. We compare the observational results with predictions from existing chemical models, and use a simple PDR model (without freeze-out of molecules on grains and surface chemistry) to illustrate dependencies on UV field strength, grain size and gas-to-dust ratio. We also evaluate the impact of Lyman alpha radiation. The temperature ordering follows the trend found from CO lines, with DM Tau being the coldest object and MWC 480 the warmest. Although CN indicates somewhat higher excitation temperatures than HCN, the derived values in the T-Tauri disks are very low (8-10 K). They agree with results obtained from CCH, and are in contradiction with thermal and chemical model predictions. These very low temperatures, as well as geometrical constraints, suggest that substantial amounts of CN and HCN remain in the gas phase close to the disk mid-plane, and that this mid-plane is quite cold. The observed CN/HCN ratio (5-10) is in better agreement with the existence of large grains, and possibly also a substantial contribution of Lyman alpha radiation.

연구 동기 및 목표

• T Tauri 및 Herbig Ae 원반에서 CN과 HCN를 관측하여 층상 원반 화학 모델의 예측을 검증하기 위해.
• 초미세구조 분석을 통해 CN과 HCN의 진동 조건과 공간 분포를 조사하기 위해.
• 자외선 차폐, Lyα 복사, 입자 크기, 기체 대 먼지 비율이 분자 농도에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 현재의 화학 모델이 관측된 기울기 밀도와 진동 온도를 재현할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• IRAM Plateau de Bure Interferometer를 사용하여 CN J=2-1 및 HCN J=1-0 선의 고각해상도 및 고스펙트럼 해상도 관측을 수행하였다.
• 최소화 기반 방법을 통해 초미세구조 분석을 통해 광학 두께, 진동 온도, 기울기 밀도를 유도하였다.
• 동결 응집이나 표면 화학을 고려하지 않은 PDR 코드를 사용하여 자외선 장, 입자 크기, 기체 대 먼지 비율에 따른 의존성을 탐색하였다.
• 기존 화학 모델과 라디에이션 트랜스퍼를 위한 수정된 LVG 근사치와 관측된 선형형상과 비율을 비교하였다.
• CN의 충돌률은 Green & Thaddeus (1974)의 HCN와 He에 대한 가정을 그대로 적용하였다.
• 저온도를 관측과 일치시키기 위해 기체 대 먼지 비율 감소 또는 먼지 투과도 증가와 같은 대안적 설명을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태행성원반에서 관측된 CN과 HCN의 진동 온도가 층상 원반 화학 모델의 예측과 일치하는가?
• RQ2 CN과 HCN의 공간 분포는 원반 중앙면 위의 따뜻한 분자층에 예상되는 위치와 일치하는가?
• RQ3 관측된 CN/HCN 비율이 상당히 높은 이유(5–10)는 무엇이며, 이러한 비율을 설명할 수 있는 물리적 조건은 무엇인가?
• RQ4 기체 대 먼지 비율 감소 또는 먼지 투과도 증가로 인해 유도된 낮은 진동 온도를 모델 기대치와 조율할 수 있는가?
• RQ5 Lyα 복사 또는 입자 표면 화학은 냉각된 중앙면에서 CN과 HCN를 유지하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• T Tauri 원반에서 유도된 CN과 HCN의 진동 온도는 매우 낮아 8에서 10 K 사이로, 열적 및 화학 모델의 예측과 정면으로 배치된다.
• CN에 대해 더 높은 예측 진동 온도가 있음에도 불구하고 관측된 값은 냉각된 중앙면과 일치하므로, CN이 상부 원반 층에 국한되어 있지 않음을 시사한다.
• 관측된 약 5–10의 CN/HCN 비율은 큰 입자 존재와 라이아이온 복사의 기여가 더 잘 설명한다.
• 기체 대 먼지 비율 감소(지름 태의 경우 약 ~0.003 M⊙까지)는 낮은 진동 온도를 조율할 수 있지만, 화학 모델에서 관측된 기울기 밀도를 재현하지 못한다.
• 냉각된 중앙면에서 CN과 HCN가 지속되는 것은 저온에서의 기체상 및 표면 입자 화학에 대한 이해가 아직 완전하지 않음을 시사하며, 특히 약 10 K에서의 상황이 그러하다.
• CN과 HCN의 더 높은 진동 전이를 통해 진동 조건을 더 정밀하게 제약하고, 서로 경쟁하는 물리적 시나리오를 구분할 수 있을 것이다.