[논문 리뷰] CID: Chemistry in disks VI.sulfur-bearing molecules in the protoplanetary disks surrounding LkCa15, MWC480, DM Tau, and GO Tau

A. Dutrey, Valentine Wakelam외 10명|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 27.

Astrophysics and Star Formation Studies인용 수 32

한 줄 요약

이 연구는 IRAM 30m 전자망원경 관측을 통해 LkCa15, MWC480, DM Tau 및 GO Tau의 태양질량 이하의 별 주위의 태행성원반에서 황 수소 화합물(SO, H2S, CS)을 조사한다. 세 원반에서 CS를 검출했지만 H2S와 SO는 검출되지 않았으며, 상한선은 모형에서 H2S의 생성이 부족함을 시사하며, 이는 황이 아직 천체화학 모형에 포함되지 않은 고체상 물질이나 난류성 화합물에 갇혀 있을 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

We study the content in S-bearing molecules of protoplanetary disks around low-mass stars. We used the new IRAM 30-m receiver EMIR to perform simultaneous observations of the $1_{10}-1_{01}$ line of H$_2$S at 168.8 GHz and $2_{23}-1_{12}$ line of SO at 99.3 GHz. We compared the observational results with predictions coming from the astrochemical code NAUTILUS, which has been adapted to protoplanetary disks. The data were analyzed together with existing CS J=3-2 observations. We fail to detect the SO and H$_2$S lines, although CS is detected in LkCa15, DM\,Tau, and GO\,Tau but not in MWC\,480. However, our new upper limits are significantly better than previous ones and allow us to put some interesting constraints on the sulfur chemistry. Our best modeling of disks is obtained for a C/O ratio of 1.2, starting from initial cloud conditions of H density of $2 imes 10^5$ cm$^{-3}$ and age of $10^6$ yr. The results agree with the CS data and are compatible with the SO upper limits, but fail to reproduce the H$_2$S upper limits. The predicted H$_2$S column densities are too high by at least one order of magnitude. H$_2$S may remain locked onto grain surfaces and react with other species, thereby preventing the desorption of H$_2$S.

연구 동기 및 목표

• 저질량 항성 주위의 태행성원반에서 황 함유 분자의 화학 조성을 탐색하기 위해.
• 관측된 상한선과 모형 예측을 비교하여 입자 표면 반응이 H2S 빈도 감소에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 현재의 천체화학 모형(Nautilus)이 원반에서 관측된 분자 농도를 재현하는 데 얼마나 정확한지 검증하기 위해.
• 관측된 CS 열밀도와 SO, H2S의 상한선을 가장 잘 재현하는 초기 조건(수소 농도, 연령, C/O 비율)을 제약하기 위해.
• 관측된 H2S 농도와 모형 예측 간의 괴리 원인을 조사하여 원반 화학에서 누락된 물리적 과정을 제안하기 위해.

제안 방법

• EMIR 수신기로 IRAM 30m 전자망원경을 사용해 H2S(168.8 GHz)와 SO(99.3 GHz)의 동시에 고감도 단일 안테나 관측을 수행하였다.
• 신규 데이터를 기존의 CS J=3-2 관측 데이터와 융합하여 원반 화학에 대한 다중 분자 제약 조건 집합을 구축하였다.
• 태행성원반에 적응시킨 NAUTILUS 천체화학 코드를 적용하여 다양한 초기 조건 하에서 분자 농도를 시뮬레이션하였다.
• 최적의 모형을 찾기 위해 초기 수소 농도(2×10⁵ cm⁻³), 원반 연령(10⁶ yr), C/O 비율(1.2) 등의 핵심 매개변수를 변화시켰다.
• 복사 전달 및 화학 네트워크 계산을 통해 열밀도를 예측하고 관측된 상한선과 비교하였다.
• 예측된 H2S, SO, CS 열밀도를 관측 상한선 및 검출 결과와 비교하여 모형 성능을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 모형 예측과는 달리 LkCa15, MWC480, DM Tau 및 GO Tau 주위 원반에서 H2S가 검출되지 않았는가?
• RQ2 현재의 천체화학 모형이 관측된 CS 열밀도와 SO, H2S의 상한선을 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ3 관측된 분자 농도를 가장 잘 재현하는 초기 원반 조건(수소 농도, 연령, C/O 비율)은 무엇인가?
• RQ4 왜 관측된 H2S/CO 비율이 코메트 얼음(Hale-Bopp 등)보다 최소 1000배 낮은가?
• RQ5 입자 표면 반응과 같은 물리적 과정이 모형에서 H2S가 부족하게 생성되는 것을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• CS는 LkCa15, DM Tau 및 GO Tau에서 검출되었지만 MWC480에서는 검출되지 않아 원반 유형 간 황 화학에 차이가 있음을 시사한다.
• H2S와 SO는 검출되지 않았으며, 새로운 상한선은 이전 제약 조건보다 훨씬 향상되어 더 엄격한 모형 테스트를 가능하게 하였다.
• 최적의 모형은 CS 관측 결과와 SO 상한선을 모두 만족시키기 위해 초기 수소 농도 2×10⁵ cm⁻³, 원반 연령 10⁶ yr, C/O 비율 1.2 가 필요하다.
• SO와 CS에 대해서는 양호한 일치를 보였지만, 예측된 H2S 열밀도는 관측 상한선보다 최소 한 계급 이상 높게 예측되었다.
• 이 괴리는 H2S가 입자 표면에 갇혀 있어 다른 종으로 반응하여 탈착되지 못함을 시사한다.
• 결과적으로 현재의 원반 화학 모형은 특히 고밀도, 저온 조건에서 자외선 조사가 존재할 경우에 핵심적인 입자 표면 반응을 포함하지 못하고 있음을 시사한다.