[论文解读] CID: Chemistry in disks VI.sulfur-bearing molecules in the protoplanetary disks surrounding LkCa15, MWC480, DM Tau, and GO Tau

A. Dutrey, Valentine Wakelam+10 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2011

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 32

一句话总结

本研究利用IRAM 30米望远镜对LkCa15、MWC480、DM Tau和GO Tau周围的原行星盘中含硫分子（SO、H2S、CS）进行观测。尽管在三个盘中检测到CS，但H2S和SO仍未被探测到，其上限值表明模型中H2S的生成量不足，暗示硫可能被锁定在尘埃表面的冰或尚未包含在天体化学模型中的难熔化合物中。

ABSTRACT

We study the content in S-bearing molecules of protoplanetary disks around low-mass stars. We used the new IRAM 30-m receiver EMIR to perform simultaneous observations of the $1_{10}-1_{01}$ line of H$_2$S at 168.8 GHz and $2_{23}-1_{12}$ line of SO at 99.3 GHz. We compared the observational results with predictions coming from the astrochemical code NAUTILUS, which has been adapted to protoplanetary disks. The data were analyzed together with existing CS J=3-2 observations. We fail to detect the SO and H$_2$S lines, although CS is detected in LkCa15, DM\,Tau, and GO\,Tau but not in MWC\,480. However, our new upper limits are significantly better than previous ones and allow us to put some interesting constraints on the sulfur chemistry. Our best modeling of disks is obtained for a C/O ratio of 1.2, starting from initial cloud conditions of H density of $2 imes 10^5$ cm$^{-3}$ and age of $10^6$ yr. The results agree with the CS data and are compatible with the SO upper limits, but fail to reproduce the H$_2$S upper limits. The predicted H$_2$S column densities are too high by at least one order of magnitude. H$_2$S may remain locked onto grain surfaces and react with other species, thereby preventing the desorption of H$_2$S.

研究动机与目标

• 探究低质量恒星周围原行星盘中含硫分子的化学组成。
• 通过将观测上限与模型预测进行比较，评估表面尘埃化学在耗尽H2S中的作用。
• 检验当前天体化学模型（NAUTILUS）在再现盘中观测分子丰度方面的有效性。
• 约束能最好重现观测CS柱密度及SO和H2S上限的最佳初始条件（H密度、年龄、C/O比）。
• 研究观测到的H2S丰度与模型预测之间的差异，表明盘化学中可能存在缺失的物理过程。

提出的方法

• 使用IRAM 30米望远镜的EMIR接收机，对H2S（168.8 GHz）和SO（99.3 GHz）进行同步高灵敏度单天线观测。
• 将新数据与现有的CS J=3-2观测相结合，构建针对盘化学的多分子约束集合。
• 应用经适配用于原行星盘的NAUTILUS天体化学代码，模拟在不同初始条件下的分子丰度。
• 通过改变关键参数（包括初始H密度2×10⁵ cm⁻³、盘年龄10⁶ yr和C/O比1.2）寻找最佳拟合模型。
• 利用辐射转移和化学网络计算预测柱密度，并与观测上限进行比较。
• 通过将预测的H2S、SO和CS柱密度与观测上限及检测结果进行对比，评估模型性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何尽管模型预测存在，H2S在LkCa15、MWC480、DM Tau和GO Tau的盘中仍未被探测到？
• RQ2 当前天体化学模型在多大程度上能再现观测到的CS柱密度以及SO和H2S的上限？
• RQ3 哪些初始盘条件（H密度、年龄、C/O比）能最好地重现观测到的分子丰度？
• RQ4 为何盘中观测到的H2S/CO比至少比哈雷-波普彗星等彗星冰中的比值低1000倍？
• RQ5 哪些物理过程（如表面尘埃反应）可能解释模型中H2S生成不足的现象？

主要发现

• 在LkCa15、DM Tau和GO Tau中检测到CS，但在MWC480中未检测到，表明不同类型的盘中硫化学存在差异。
• H2S和SO未被探测到，新的上限值显著优于先前约束，使模型测试更加严格。
• 最佳拟合模型要求初始H密度为2×10⁵ cm⁻³、盘年龄为10⁶ yr、C/O比为1.2，才能同时匹配CS观测结果和SO的上限。
• 尽管与SO和CS的预测结果吻合良好，但模型预测的H2S柱密度仍比观测上限高出至少一个数量级。
• 该差异表明H2S可能仍被锁定在尘埃表面，并发生反应生成其他物质，从而阻止其脱附。
• 结果表明，当前的盘化学模型缺乏关键的表面尘埃反应，尤其是在高密度、低温且受紫外辐射的条件下。