[論文レビュー] ALMA chemical survey of disk-outflow sources in Taurus (ALMA-DOT) II: Vertical stratification of CO, CS, CN, H$_2$CO, and CH$_3$OH in a Class I disk

L. Podio, A. Garufi+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2020

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 46被引用数 15

ひとこと要約

本研究は、ALMAを用いて、IRAS 04302+2247周囲のクラスI原始惑星系円盤におけるCO、CS、H₂CO、CH₃OHの最初の解像度の高い垂直構造を明らかにした。その結果、温度の高い分子層（半径が大きいほど発光高さが上昇）と冷たい外側中間面における凍結層という明確な化学的層構造が観測された。また、クラスI円盤におけるメタノール（CH₃OH）の最初の懸念される検出が報告され、[CH₃OH]/[H₂CO]の混合比は0.5–0.6であった。これはクラス0ホットコリノに見られる値よりも顕著に低く、彗星の値と整合的である。

ABSTRACT

The chemical composition of planets is inherited from that of the protoplanetary disk at the time of planet formation. Increasing observational evidence suggests that planet formation occurs in less than 1 Myr. This motivates the need for spatially resolved spectral observations of Class I disks, as carried out by the ALMA chemical survey of Disk-Outflow sources in Taurus (ALMA-DOT). In the context of ALMA-DOT, we observe the edge-on disk around the Class I source IRAS 04302+2247 (the butterfly star) in the 1.3mm continuum and five molecular lines. We report the first tentative detection of methanol (CH$_3$OH) in a Class I disk and resolve, for the first time, the vertical structure of a disk with multiple molecular tracers. The bulk of the emission in the CO 2-1, CS 5-4, and o-H$_2$CO 3(1,2)-2(1,1) lines originates from the warm molecular layer, with the line intensity peaking at increasing disk heights, $z$, for increasing radial distances, $r$. Molecular emission is vertically stratified, with CO observed at larger disk heights (aperture $z/r\sim0.41-0.45$) compared to both CS and H$_2$CO, which are nearly cospatial ($z/r\sim0.21-0.28$). In the outer midplane, the line emission decreases due to molecular freeze-out onto dust grains (freeze-out layer) by a factor of >100 (CO) and 15 (CS). The H$_2$CO emission decreases by a factor of only about 2, which is possibly due to H$_2$CO formation on icy grains, followed by a nonthermal release into the gas phase. The inferred [CH$_3$OH]/[H$_2$CO] abundance ratio is 0.5-0.6, which is 1-2 orders of magnitude lower than for Class 0 hot corinos, and a factor ~2.5 lower than the only other value inferred for a protoplanetary disk (in TW Hya, 1.3-1.7). Additionally, it is at the lower edge but still consistent with the values in comets. This may indicate that some chemical reprocessing occurs in disks before the formation of planets and comets.

研究の動機と目的

• 原始的クラスI原始惑星系円盤の化学的組成と垂直構造を調査し、前星状段階からの分子的複雑性の継承を理解すること。
• メタノールやホルマールデヒド、複雑な有機分子（COMs）が、円盤内に明確な化学的層として存在・分布しているかどうかを特定すること。
• 円盤内でのCH₃OHとH₂COの観測された混合比が、クラス0ホットコリノの値と異なるかどうかを評価し、円盤形成期の化学的進化を探る。
• 中間面の低温でも気体相の分子（例：H₂CO）の存在を説明できる非熱的脱着プロセスが、円盤内に存在するかどうかを検証すること。
• クラスI円盤における[CH₃OH]/[H₂CO]比を制約し、彗星やクラス0源の値と比較することで、生命前駆体化学における「継承」と「円盤リセット」のシナリオを評価すること。

提案手法

• エッジオンのクラスI円盤であるIRAS 04302+2247を対象に、1.3 mm連続放射および5本の分子線（CO 2-1、CN 2-1、CS 5-4、H₂CO 3₁,₂–2₁,₁、CH₃OH 5₃,₃–4₃,₄）に対する高解像度ALMA観測を実施した。
• モーメントマップおよび位置-速度図を用いて、分子発光の垂直構造を解像し、半径（r）に対する発光ピークの高さ（z）の相関を特定した。
• 観測された発光を解釈するため、円盤の熱化学的構造をモデル化し、気相反応による温暖分子層、氷被膜への凍結層、光分解を受ける表面層を区別した。
• 光学的薄さを仮定し、 beam平均の柱密度を用いて、積分線強度を比較することで[CH₃OH]/[H₂CO]混合比を推定した。
• 得られた混合比をクラス0ホットコリノ、彗星、他の原始惑星系円盤と比較し、化学的進化を評価した。
• 低温の外側中間面においてもH₂COやCH₃OHが気体相に存在し続ける理由を説明するため、非熱的脱着モデル（反応性、宇宙線誘発など）を適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クラスI原始惑星系円盤におけるCO、CS、H₂CO、CH₃OHの垂直分布はどのようなものであり、予測された温暖分子層と凍結層への分離構造と一致するか？
• RQ2 メタノール（CH₃OH）はクラスI円盤で検出可能か？また、ホルマールデヒド（H₂CO）に対する相対的含有量はどの程度か？
• RQ3 このクラスI円盤における[CH₃OH]/[H₂CO]比は、クラス0ホットコリノおよび彗星の値と比較してどう異なるか？これは化学的継承または進化を示唆するか？
• RQ4 中間面の冷たい外側領域において、熱的脱着が無効であるにもかかわらず、H₂COおよびCH₃OHの気体相含有量を説明できる脱着機構は何か？
• RQ5 円盤の中間面における観測された化学的組成は、惑星形成領域の化学的インベントリが円盤進化の過程でリセットされたのか、それとも前星状段階から継承されたのかを示唆するか？

主な発見

• CO 2-1、CS 5-4、H₂CO 3₁,₂–2₁,₁線は垂直方向の分離構造を示し、発光ピークの高さ（z）が半径（r）とともに増加しており、温暖分子層モデルの妥当性が裏付けられた。
• COの発光ピークはz/r ≈ 0.41–0.45に位置し、CSおよびH₂COはz/r ≈ 0.21–0.28に位置しており、COがCSおよびH₂COよりも垂直方向に広がっていることが示された。
• 外側中間面では、COの線発光は100倍以上低下しているが、CSは15倍、H₂COは約2倍にしか低下していないことから、H₂COは氷被膜上に生成され、非熱的プロセスで放出されている可能性がある。
• 本研究では、クラスI円盤におけるCH₃OHの最初の懸念される検出が報告され、積分線強度から[CH₃OH]/[H₂CO]混合比は0.5–0.6と推定された。
• [CH₃OH]/[H₂CO]比は、クラス0ホットコリノの値と比べて1～2桁低いが、彗星（例：67P/C-G、ハレー＝ボップ）で観測された範囲と一致する。
• この観測混合比は、クラスII円盤TW Hydraの値と比べて約2.5倍低いことから、円盤内ではプロト星核とは異なった化学的進化または脱着機構が働く可能性がある。