[논문 리뷰] Chemistry in Disks VIII: the CS molecule as an analytic tracer of turbulence in disks

S. Guilloteau, A. Dutrey외 6명|Max Planck Institute for Plasma Physics|2012. 11. 21.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 41인용 수 35

한 줄 요약

이 연구는 DM Tau 원반의 CS J=3-2 복사에 대한 고해상도 ALMA 유사 관측을 통해 분자의 비열적 선폭이 외부 원반(≥100 AU)에서 마하 수 0.3–0.5의 난류 운동을 측정함을 보여주며, CS가 난류의 강력하고 신뢰할 수 있는 중분자 트레이서임을 확인한다. 결과는 원반 기하구조 가정에 관계없이 일관되며, 중간면에서 약 한 척도 높이 위에 위치한 CS의 존재를 예측하는 화학 모델과도 부합한다.

ABSTRACT

Turbulence is thought to be a key driver of the evolution of protoplanetary disks, regulating the mass accretion process, the transport of angular momentum, and the growth of dust particles. We intend to determine the magnitude of the turbulent motions in the outer parts (> 100 AU) of the disk surrounding DM Tau. Turbulent motions can be constrained by measuring the nonthermal broadening of line emission from heavy molecules. We used the IRAM Plateau de Bure interferometer to study emission from the CS molecule in the disk of DM Tau. High spatial (1.4 x 1 ") and spectral resolution (0.126 km/s) CS J=3-2 images provide constraints on the molecule distribution and velocity structure of the disk. A low sensitivity CS J=5-4 image was used in conjunction to evaluate the excitation conditions. We analyzed the data in terms of two parametric disk models, and compared the results with detailed time-dependent chemical simulations. The CS data confirm the relatively low temperature suggested by observations of other simple molecules. The intrinsic linewidth derived from the CS J=3-2 data is much larger than expected from pure thermal broadening. The magnitude of the derived nonthermal component depends only weakly on assumptions about the location of the CS molecules with respect to the disk plane. Our results indicate turbulence with a Mach number around 0.4 - 0.5 in the molecular layer. Geometrical constraints suggest that this layer is located near one scale height, in reasonable agreement with chemical model predictions.

연구 동기 및 목표

• DM Tau 주위의 태행성 원반 외부 영역(>100 AU)에서의 난류 수준을 제약하기 위해.
• CS 분자가 원반 내 비열적(난류) 운동을 신뢰할 수 있는 트레이서로 사용될 수 있는지 평가하기 위해.
• 스펙트럼 및 기하학적 모델링을 통해 CS 복사의 원반 중면 대비 수직 위치를 결정하기 위해.
• 관측된 선폭이 난류 원반에서 분자의 분포를 예측하는 화학 모델과 일관된가를 테스트하기 위해.

제안 방법

• IRAM Plateau de Bure 간섭계를 사용한 고공간 해상도(1.4×1.4′′) 및 고스펙트럼 해상도(0.126 km s⁻¹)의 CS J=3-2 복사 관측.
• 온도 제약을 위해 2.5′′ 해상도에서의 저감도 CS J=5-4 관측.
• 두 가지 매개변수 기반 원반 모델(거듭제곱 밀도 프로파일 및 테이퍼드 엣지 모델)을 사용한 데이터 모델링.
• 관측된 선형형을 적합하여 내재된 선폭을 유도하고, 열적 및 비열적 기여를 분리하기 위해.
• 시간에 따라 변화하는 화학 시뮬레이션과의 비교를 통해 CS의 위치 및 농도의 타당성을 검증하기 위해.
• 정확한 선폭 측정을 보장하기 위해 관련기기의 스펙트럼 반응을 고려하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DM Tau 원반의 CS J=3-2 복사에서 비열적 선폭의 크기는 얼마이며, 난류에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ2 CS 분자의 수직 분포는 유도된 난류 속도 분산에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 관측된 선폭이 원반 화학의 화학 모델 예측과 어느 정도 일치하는가?
• RQ4 CO나 HCO⁺와 같은 경량 분자보다 CS가 난류에 더 민감하고 신뢰할 수 있는 트레이서로 사용될 수 있는가?
• RQ5 CS 선폭을 기반으로 외부 원반에서 난류의 유도된 마하 수는 얼마인가?

주요 결과

• 300 AU에서 CS J=3-2 복사의 내재된 선폭은 0.13–0.14 km s⁻¹로, 열적 폭발보다 크게 초과하여 주로 비열적(난류) 기여가 우세함을 시사한다.
• 유도된 난류 운동은 원반의 분자 층에서 약 0.3–0.5의 마하 수에 해당한다.
• 비열적 선폭은 CS 분자의 수직 위치에 대한 가정에 대해 강건하며, 복사 영역이 한 척도 높이 이상에 있다고 가정할 때도 안정성을 유지한다.
• CS 복사는 중면에서 약 한 척도 높이 위에 위치한 분자로 모델링할 경우 가장 잘 맞으며, 이는 화학 모델 예측과 일치한다.
• CS J=5-4 및 J=3-2 데이터로부터 유도된 온도는 저온(~7–8 K)과 일치하며, 다른 경량 분자로부터 이전의 추정과도 부합한다.
• 분석 결과, CS는 고분자량과 밀리미터 대역에서의 강한 복사로 인해 경량 분자보다 난류 트레이서로서 뛰어난 성능을 보임을 확인한다.