[论文解读] Chemistry in Disks VIII: the CS molecule as an analytic tracer of turbulence in disks

S. Guilloteau, A. Dutrey+6 more|Max Planck Institute for Plasma Physics|Nov 21, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 41被引用 35

一句话总结

本研究利用ALMA类似分辨率的高分辨率观测，对DM Tau原行星盘中CS的J=3-2发射线进行分析，表明该分子的非热线宽（测量值为0.13–0.14 km s⁻¹）可探测外盘（≥100 AU）中马赫数为0.3–0.5的湍流运动，证实CS是湍流的可靠重分子示踪剂。该结果在不同盘几何假设下保持一致，且与化学模型预测的CS位于中平面以上一个标高处的结果相符。

ABSTRACT

Turbulence is thought to be a key driver of the evolution of protoplanetary disks, regulating the mass accretion process, the transport of angular momentum, and the growth of dust particles. We intend to determine the magnitude of the turbulent motions in the outer parts (> 100 AU) of the disk surrounding DM Tau. Turbulent motions can be constrained by measuring the nonthermal broadening of line emission from heavy molecules. We used the IRAM Plateau de Bure interferometer to study emission from the CS molecule in the disk of DM Tau. High spatial (1.4 x 1 ") and spectral resolution (0.126 km/s) CS J=3-2 images provide constraints on the molecule distribution and velocity structure of the disk. A low sensitivity CS J=5-4 image was used in conjunction to evaluate the excitation conditions. We analyzed the data in terms of two parametric disk models, and compared the results with detailed time-dependent chemical simulations. The CS data confirm the relatively low temperature suggested by observations of other simple molecules. The intrinsic linewidth derived from the CS J=3-2 data is much larger than expected from pure thermal broadening. The magnitude of the derived nonthermal component depends only weakly on assumptions about the location of the CS molecules with respect to the disk plane. Our results indicate turbulence with a Mach number around 0.4 - 0.5 in the molecular layer. Geometrical constraints suggest that this layer is located near one scale height, in reasonable agreement with chemical model predictions.

研究动机与目标

• 约束DM Tau原行星盘外区（>100 AU）的湍流水平。
• 评估CS分子是否可作为盘中非热（湍流）运动的可靠示踪剂。
• 通过光谱和几何建模，确定CS发射相对于盘中平面的垂直位置。
• 检验观测到的线宽与湍流盘中分子分布化学模型预测的一致性。

提出的方法

• 使用IRAM Plateau de Bure干涉仪对CS J=3-2发射线进行高空间分辨率（1.4×1.4′′）和高光谱分辨率（0.126 km s⁻¹）的观测。
• 对CS J=5-4进行低灵敏度观测（2.5′′分辨率），以评估上能级布居状况并约束温度。
• 采用两种参数化盘模型对数据进行建模：幂律密度分布模型与截断边缘模型。
• 通过拟合观测线轮廓，推导出固有线宽，分离热运动与非热贡献。
• 将推导出的湍流参数与时变化学模拟结果进行比较，以验证CS的位置和丰度。
• 考虑相关相关器的光谱响应，确保线宽测量的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 DM Tau盘中CS J=3-2发射的非热线宽幅度是多少？其对湍流意味着什么？
• RQ2 CS分子的垂直分布如何影响推导出的湍流速度弥散度？
• RQ3 观测到的线宽在多大程度上与盘化学的化学模型预测一致？
• RQ4 CS是否比CO或HCO⁺等轻分子更具灵敏度和可靠性，作为湍流的示踪剂？
• RQ5 基于CS线宽，外盘中湍流的推断马赫数是多少？

主要发现

• 在300 AU处，CS J=3-2发射的固有线宽为0.13–0.14 km s⁻¹，显著超过热展宽，表明存在主导的非热（湍流）成分。
• 推导出的湍流运动对应于盘分子层中约0.3–0.5的马赫数。
• 非热线宽对CS分子垂直位置的假设具有鲁棒性，即使假设发射位于中平面以上一个标高处，其值仍保持稳定。
• CS发射最符合分子位于中平面以上一个标高处的盘模型，与化学模型预测一致。
• 由CS J=5-4和J=3-2数据推导出的温度与低温（~7–8 K）一致，支持此前基于其他轻分子的估计。
• 分析证实，由于其高分子量和亚毫米波段强发射，CS是比轻分子更优的湍流示踪剂。