[论文解读] 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 8

一句话总结

本研究首次对原行星盘中的立甲醛（H₂CS）进行了ALMA成像，揭示了其在HL Tau和IRAS04302+2247中半径达140 au和115 au的旋转分子环中的空间分布。利用高分辨率（40 au）观测和量子化学计算，发现由于其较高的激发能（60 K），H₂CS的发射峰位于比H₂CO或CS更靠近恒星的位置；同时，仅靠热脱附无法解释观测到的气相丰度，表明存在显著的非热脱附过程。

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.

研究动机与目标

• 在太阳系尺度上绘制原行星盘中H₂CS的径向和垂直分布。
• 利用量子力学计算确定H₂CS在结晶冰和非晶冰中的结合能。
• 基于观测到的空间分布，评估热脱附在将H₂CS释放到气相中的作用。
• 将H₂CS发射与H₂CO和CS进行比较，以推断盘中平面及层状区域的形成与脱附机制。
• 首次测定原行星盘中[H₂CS]/[H]的丰度比。

提出的方法

• ALMA Band 6观测在40 au的空间分辨率下，针对五颗金牛座T型星（Class I/早期Class II）源的o–H₂CS(7₁,₆–6₁,₅)谱线进行。
• 采用在局部热动平衡（LTE）条件下的三维辐射转移建模，推导出H₂CS的柱密度和空间分布。
• 通过量子力学计算，计算了H₂CS在扩展结晶冰和非晶水冰（AWS）模型上的结合能。
• 利用结合能值模拟热脱附阈值，假设在尘埃温度≥50–80 K时才会发生显著蒸发。
• 与H₂CO和CS发射进行对比分析，以评估激发和脱附效应。
• 在DG Tau、DG Tau B和Haro 6-13中因未检测到H₂CS，估算其柱密度上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 H₂CS在原行星盘的径向和垂直结构中如何分布，其发射与H₂CO和CS相比有何不同？
• RQ2 H₂CS在结晶冰和非晶冰上的结合能是多少，这对盘中热脱附意味着什么？
• RQ3 尽管化学性质相似，为何H₂CS的发射峰位于比H₂CO和CS更靠近原恒星的位置？
• RQ4 热脱附能否单独解释半径>100 au处观测到的H₂CS气相丰度？
• RQ5 在外盘区域，哪些脱附机制最可能负责将H₂CS释放到气相中？

主要发现

• H₂CS发射局限于两个旋转分子环：在HL Tau中为140 au，在IRAS04302+2247中为115 au。
• 在IRAS04302+2247中，H₂CS发射在中平面z = ±50 au处达到峰值，证实其存在于温暖分子层中。
• 在两种盘中，在LTE假设下H₂CS的柱密度约为10¹⁴ cm⁻²。
• HL Tau中[H₂CS]/[H]的丰度约为10⁻¹⁴，这是首次在原行星盘中测得该值。
• H₂CS在结晶冰上的结合能为4258 K，在非晶冰上则为3000–4600 K，表明热脱附仅在尘埃温度≥50–80 K时发生。
• 观测到的半径>100 au处的H₂CS发射无法仅由热脱附解释，表明存在显著的非热脱附过程（如光致、宇宙射线或反应性脱附）。