[論文レビュー] ALMA chemical survey of disk-outflow sources in Taurus (ALMA-DOT). IV. Thioformaldehyde (H$_2$CS) in protoplanetary disks: spatial distributions and binding energies

C. Codella, L. Podio+11 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2020

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 85被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、原始惑星系円盤におけるチオホルマールドヒドール（H₂CS）の初のALMA画像を提示し、HL Tauでは140 au、IRAS04302+2247では115 auまでの半径で回転する分子リング内の空間的分布を明らかにした。高分解能（40 au）の観測と量子化学的計算を用いて、H₂CSの励起エネルギーが高いため（60 K）、H₂CO や CS よりも星に近い位置で発光ピークを示すことが判明した。また、観測された気相中での濃度は熱的脱着のみでは説明できず、非熱的脱着プロセスが顕著に作用していることが示唆された。

ABSTRACT

Aims: To trace the radial and vertical spatial distribution of H2CS, a key species of the S-bearing chemistry, in protoplanetary disks. To analyse the observed distributions in light of the H2CS binding energy, in order to discuss the role of thermal desorption in enriching the gas disk component. Methods: In the context of the ALMA chemical survey of Disk-Outflow sources in the Taurus star forming region (ALMA-DOT), we observed five Class I or early Class II sources with the o-H2CS(7_1,6-6_1,5) line on a 40 au scale. We estimated the binding energy (BEs) of H2CS using quantum mechanical calculations, for the first time, for an extended, periodic, crystalline ice. Results: We imaged H2CS in two rotating molecular rings in the HL Tau and IRAS04302+2247 disks. The outer radii are about 140 au (HL Tau), and 115 au (IRAS 04302+2247). The edge-on geometry of IRAS 04302+2247 reveals that H2CS emission peaks, at radii of 60-115 au, at z = +- 50 au from the equatorial plane. The column densities are about 10^14 cm^-2. For HL Tau, we derive, for the first time, the [H2CS]/[H] abundance in a protoplanetary disk (about 10^-14). The BEs of H2CS computed for extended crystalline ice and amorphous ices is 4258 K and 3000-4600 K, respectively, implying a thermal evaporation where dust temperature is larger than 50-80 K. Conclusions: H2CS traces the so-called warm molecular layer, a region previously sampled using CS, and H2CO. Thioformaldehyde peaks closer to the protostar than H2CO and CS, plausibly due to the relatively high-excitation level of observed 7_1,6-6_1,5 line (60 K). The H2CS BEs implies that thermal desorption dominates in thin, au-sized, inner and/or upper disk layers, indicating that the observed H2CS emitting up to radii larger than 100 au is likely injected in the gas due to non-thermal processes.

研究の動機と目的

• 太陽系スケールの原始惑星系円盤におけるH₂CSの径方向および垂直方向分布をマッピングすること。
• 量子力学的計算を用いて、結晶性およびアモルファス氷中のH₂CSの解離エネルギーを特定すること。
• 観測された空間的分布に基づき、H₂CSが気相に放出される際の熱的脱着の役割を評価すること。
• H₂CO や CS との発光を比較することで、円盤の中層および層における生成および脱着機構を推察すること。
• 原始惑星系円盤における初の[H₂CS]/[H]濃度比を導出すること。

提案手法

• ALMA Band 6観測（空間分解能40 au）により、5つのクラスI/初期クラスIIのタウラス天体でo–H₂CS(7₁,₆–6₁,₅)線を標的とした。
• L谷条件の下で3次元放射線輸送モデリングを用い、H₂CSの吸収係数密度および空間的分布を導出した。
• H₂CSの結晶性氷およびアモルファス水氷（AWS）上での解離エネルギーを計算するための量子力学的計算を実施した。
• 得られた解離エネルギー値を用いて、熱的脱着のしきい値をモデル化し、有意な蒸発が発生するためにはほこり温度が≥50–80 Kであると仮定した。
• 励起および脱着効果を評価するため、H₂CO や CS 発光との比較分析を実施した。
• 非検出のため、DG Tau、DG Tau B、およびHaro 6-13におけるH₂CS吸収係数密度の上限を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 H₂CSは原始惑星系円盤の径方向および垂直構造においてどこに分布しているのか。また、H₂CO や CS との発光特性はどのように異なるか？
• RQ2 H₂CSの結晶性およびアモルファス氷上での解離エネルギーは何か。これは円盤内での熱的脱着にどのような意味を持つのか？
• RQ3 H₂CSは類似した化学反応を示すにもかかわらず、なぜH₂CO や CS よりも原始星に近い位置で発光ピークを示すのか？
• RQ4 100 auを超える半径における観測されたH₂CS気相反応濃度は、熱的脱着のみで説明可能か？
• RQ5 外側の円盤領域でH₂CSが気相に放出される主な脱着機構は何か？

主な発見

• H₂CS発光は、2つの回転する分子リングに限定されており、HL Tauでは140 au、IRAS04302+2247では115 auに位置する。
• IRAS04302+2247では、H₂CS発光が中間面から±50 auの高さにピークを示しており、温かい分子層に存在することが確認された。
• L谷仮定の下で、両円盤におけるH₂CS吸収係数密度は約10¹⁴ cm⁻²であった。
• HL Tauにおける[H₂CS]/[H]濃度比は約10⁻¹⁴であり、原始惑星系円盤で初めての測定値である。
• H₂CSの結晶性氷上での解離エネルギーは4258 K、アモルファス氷上では3000–4600 Kの範囲にあり、熱的脱着はほこり温度が≥50–80 Kのときのみ発生すると示唆された。
• 100 auを超える半径における観測されたH₂CS発光は、熱的脱着のみでは説明できず、光脱着、宇宙線脱着、反応性脱着などの非熱的脱着が顕著に寄与していることが示唆された。