[논문 리뷰] On the ionisation fraction in protoplanetary disks III. The effect of X-ray flares on gas-phase chemistry

M. Ilgner, Richard P. Nelson|ArXiv.org|2006. 05. 11.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 22인용 수 25

한 줄 요약

이 연구는 X선 플레어가 태수성 항성의 원형행성형 디스크 내 이온화 분율과 데드존 구조에 미치는 영향을 시간에 따라 변화하는 화학 모델을 사용하여 조사한다. 플레어 동안 플라즈마 온도가 상승하고 기체 상태의 중금속(예: 마그네슘)이 존재할 경우, 특히 0.5–2 AU 및 외부 디스크 영역에서 데드존이 일시적으로 제거되거나 크게 감소함을 발견하였다. 그러나 플레어 지속 시간이 짧아 MRI 난류가 완전히 발달하지는 않을 수 있다.

ABSTRACT

Context. Recent observations of the X-ray emission from T Tauri stars in the Orion nebula have shown that they undergo frequent outbursts in their X-ray luminosity. These X-ray flares are characterised by increases in luminosity by two orders of magnitude, a typical duration of less than one day, and a significant hardening of the X-ray spectrum. Aims. It is unknown what effect these X-ray flares will have on the ionisation fraction and dead-zone structure in protoplanetary disks. We present the results of calculations designed to address this question. Methods. We have performed calculations of the ionisation fraction in a standard $α$-disk model using two different chemical reaction networks. We include in our models ionisation due to X-rays from the central star, and calculate the time-dependent ionisation fraction and dead--zone structure for the inner 10 AU of a protoplanetary disk model. Results. We find that the disk response to X-ray flares depends on whether the plasma temperature increases during flares and/or whether heavy metals (such as magnesium) are present in the gas phase. Under favourable conditions the outer disk dead--zone can disappear altogether,and the dead-zone located between 0.5 < R < 2 AU can disappear and reappear in phase with the X-ray luminosity. Conclusions. X-ray flares can have a significant effect on the dead-zone structure in protoplanetary disks. Caution is required in interpreting this result as the duration of X-ray bursts is considerably shorter than the growth time of MHD turbulence due to the magnetorotational instability.

연구 동기 및 목표

• X선 플레어가 원형행성형 디스크 내 이온화 분율과 데드존 구조에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 짧은 지속시간을 가진 X선 플레어가 일반적으로 침체된 디스크 영역에서 일시적으로 자기유체역학(MHD) 난류를 유도할 수 있는지 판단하기 위해.
• 플라즈마 온도의 경화와 기체 상태의 중금속(예: 마그네슘)이 플레어 기간 동안 이온화를 증가시키는 데 미치는 역할을 평가하기 위해.
• 화학 반응 네트워크를 사용하여 주기적인 X선 폭발에 따른 디스크 이온화의 시간에 따라 변화하는 반응을 검토하기 위해.
• 플레어 지속 시간과 MRI 성장 timescale 간의 불일치를 감안할 때, 플레어 조건 하에서 MRI 기반 난류가 어떻게 유지될 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 내부 10 AU 범위의 원형행성형 디스크를 다루는 표준 α-디스크 모델을 사용하였다.
• 두 가지 화학 반응 네트워크를 적용: 하나는 Oppenheimer & Dalgarno(1974) 기반, 다른 하나는 UMIST 데이터베이스 기반.
• Chandra 관측에서 유도된 플레어 파arameter를 적용한 시간에 따라 변화하는 X선 이온화를 적용: 복사 강도 약 100배 증가, 지속 시간 <1일, 플라즈마 온도 3 keV에서 7 keV로 상승.
• 1D 수직 디스크 모델을 사용하여 오믹 저항성과 함께 시간에 따라 변화하는 이온화 분율과 데드존 깊이를 계산하였다.
• 자기 레이놀즈 수(Re_m)를 계산하고 임계 임계치(Re_m^crit ≈ 100)와 비교하여 MRI 안정성을 평가하였다.
• MHD 모드의 확산 및 성장 timescale을 평가하여 플레어 사이클 동안 난류가 유지될 수 있는지 여부를 판단하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 X선 플레어는 원형행성형 디스크의 다양한 반경 영역 내 이온화 분율에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 언제 어떤 조건에서 X선 플레어가 디스크 내 데드존의 깊이를 일시적으로 제거하거나 감소시킬 수 있는가?
• RQ3 플레어 기간 동안 플라즈마 온도 경화가 기체 상태의 중금속 존재 시 이온화를 상당히 향상시키는가?
• RQ4 MRI 성장 timescale이 플레어 지속 시간을 초과할 경우, X선 플레어 기간 동안 MHD 난류가 생성될 수 있는가?
• RQ5 반복적인 플레어가 자기장 증폭과 디스크 난류에 장기적으로 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 플라즈마 온도 상승과 기체 상태의 미량 마그네슘 존재 조건에서, 외부 디스크 데드존(2 AU 초과 영역)은 완전히 사라질 수 있다.
• 0.5–2 AU 영역에서는 플레어 기간 동안 데드존이 완전히 사라지고 침체 상태 기간 동안 재형성되며, X선 활동에 따라 시간적으로 고정된 반응을 보인다.
• 가장 빠른 모드의 MRI 성장 timescale(약 12시간)은 일반적인 플레어 지속 시간(<1일)을 초과하므로, 난류가 성장하기 전에 자기장 증폭이 확산될 가능성이 있다.
• 더 긴 파장의 MHD 모드는 더 오래 지속될 수 있으며(최대 약 5일), 5일 이내의 주기로 반복되는 플레어는 점진적인 자기장 증폭을 유도할 수 있다.
• 먼지 농도가 10^−4에서 10^−8로 감소할 경우에만 기체 상태 화학 반응의 가정이 타당하므로, 입자 성장과 침강이 일어난 진화된 디스크에서의 관련성이 있다.
• 플레어 기간 동안 먼지 입자에서 전자가 탈착되고 플레어 간격 동안 재흡착되며, 이는 관측된 데드존 역학을 모방할 수 있으며, 아직 정량화되지 않은 잠재적 피드백 메커니즘이 있음을 시사한다.