[논문 리뷰] On the Ionisation Fraction in Protoplanetary Disks II: The Effect of Turbulent Mixing on Gas--phase Chemistry

M. Ilgner, Richard P. Nelson|ArXiv.org|2005. 09. 19.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 27인용 수 40

한 줄 요약

이 논문은 난류 혼합이 태양계 형성 초기의 원형행성원반 내 이온화 분율에 미치는 영향을 연구하며, 기체상 화학 네트워크를 사용하여 종방향 확산을 모델링한다. 낭만성 이온화에 의해 재결합이 억제되어 자기적으로 분리된 '사망 영역'이 사라지고 자기적 결합이 유지되는 자가유지 MHD 난류가 가능해지는 것을 발견하였다. 이는 마그네슘 농도가 임계값($x_{\rm Mg} \sim 10^{-10}$–$10^{-8}$)을 초과할 경우에 해당한다.

ABSTRACT

We calculate the ionisation fraction in protostellar disk models using two different gas-phase chemical networks, and examine the effect of turbulent mixing by modelling the diffusion of chemical species vertically through the disk. The aim is to determine in which regions of the disk gas can couple to a magnetic field and sustain MHD turbulence. We find that the effect of diffusion depends crucially on the elemental abundance of heavy metals (magnesium) included in the chemical model. In the absence of heavy metals, diffusion has essentially no effect on the ionisation structure of the disks, as the recombination time scale is much shorter than the turbulent diffusion time scale. When metals are included with an elemental abundance above a threshold value, the diffusion can dramatically reduce the size of the magnetically decoupled region, or even remove it altogther. For a complex chemistry the elemental abundance of magnesium required to remove the dead zone is 10(-10) - 10(-8). We also find that diffusion can modify the reaction pathways, giving rise to dominant species when diffusion is switched on that are minor species when diffusion is absent. This suggests that there may be chemical signatures of diffusive mixing that could be used to indirectly detect turbulent activity in protoplanetary disks. We find examples of models in which the dead zone in the outer disk region is rendered deeper when diffusion is switched on. Overall these results suggest that global MHD turbulence in protoplanetary disks may be self-sustaining under favourable circumstances, as turbulent mixing can help maintain the ionisation fraction above that necessary to ensure good coupling between the gas and magnetic field.

연구 동기 및 목표

• 난류 혼합이 원형행성원반 내 이온화 구조에 미치는 영향, 특히 자기장 결합과의 관계를 규명하는 것.
• 난류 확산이 낮은 이온화를 가진 원반에서 자기적으로 분리된 영역('사망 영역')을 줄이거나 제거할 수 있는지 평가하는 것.
• 특히 마그네슘을 포함한 무거운 금속이 확산 조건 하에서 재결합 경로와 이온화 분율을 어떻게 변화시키는지 조사하는 것.
• 난류 혼합의 화학적 특징이 원반 난류의 간접 관측 진단 도구로 활용될 수 있는지 탐색하는 것.
• 확산과 이온화 화학 간 피드백에 의해 전반적인 MHD 난류가 자가유지 상태에 도달할 수 있는 조건을 평가하는 것.

제안 방법

• X선 이온화를 주요 이온화 원천으로 하는 표준 $\alpha$-원반 모델을 사용하여 원형행성원반을 모델링한다.
• 간단한 옹번하이머 및 달가르노(1974) 네트워크와 UMIST 데이터베이스 기반의 복잡한 네트워크를 사용한 기체상 화학 네트워크 두 가지를 적용한다.
• 확산 계수 $\mathcal{D}$를 운동 viscoity $\nu$와 동일시하여 종방향 난류 확산을 구현한다.
• 전자 및 주요 이온을 포함한 모든 화학 종에 대해 시간에 따라 변화하는 확산-반응 방정식을 해결한다.
• 다양한 마그네슘 농도에서 확산 유무에 따라 이온화 분율과 사망 영역의 구조를 비교한다.
• 혼합 효과로 인한 주요 이온 종과 재결합 경로의 변화를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 난류 혼합이 원형행성원반의 자기적으로 분리된 '사망 영역'을 줄이거나 제거할 수 있는가?
• RQ2 마그네슘 같은 무거운 금속을 포함함으로써 난류 확산이 이온화 유지에 얼마나 효과적으로 작용하는가?
• RQ3 재결합을 현저하게 억제하고 자기 결합을 유지하기 위해 필요한 마그네슘의 임계 농도는 얼마인가?
• RQ4 확산 조건 하에서 주요 이온 종의 변화는 난류의 검출 가능한 화학적 특징을 나타내는가?
• RQ5 어떤 조건에서 난류 혼합이 원반에서 자가유지 MHD 난류를 유도할 수 있는가?

주요 결과

• 마그네슘 농도가 $x_{\rm Mg} = 10^{-10}$를 초과할 경우, UMIST 기반 모델에서 $R \geq 2$ AU 영역의 사망 영역이 완전히 제거된다.
• 옹번하이머 및 달가르노 네트워크의 경우, 난류 확산이 활성화되어 있을 때 마그네슘 농도가 $x_{\rm Mg} = 10^{-12}$이면 $R \geq 2$ AU 영역의 사망 영역이 제거된다.
• 무거운 금속이 없는 모델에서는 난류 확산이 사망 영역에 거의 영향을 주지 않으며, 이는 분자 이온과 전자의 빠른 재결합 때문이므로.
• 금속 이온(예: Mg+)의 재결합 시간은 분자 이온보다 수개의 주기만큼 길어, 금속 이온이 존재할 경우 확산이 전자 손실보다 빠를 수 있다.
• 난류 혼합은 화학 경로를 변화시켜 사망 영역 경계 근처에서 주요 이온 종의 이동을 유도하며, 이는 난류의 잠재적 화학적 트레이서를 시사한다.
• 어떤 경우에서는 확산이 외부 원반 영역에서 전자 농도를 임계 자기 결합 농도 이하로 희석시켜 사망 영역을 더 깊게 만들 수 있다.