[论文解读] Consistent dust and gas models for protoplanetary disks: II. Chemical networks and rates

I. Kamp, W.‐F. Thi+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 100被引用 23

一句话总结

本文开发了用于原行星盘建模的一致化学网络与反应速率数据库，利用ProDiMo评估网络规模、速率数据库（如UMIST、KIDA）以及冰粒表面化学（裸露 vs. 极性冰）对分子丰度与发射线通量的影响。关键结果表明，冰的组成与吸附能显著改变雪线位置与N2H+发射，而反应数据库的选择可使CO同位素、CN与N2H+线通量产生高达25%的差异，凸显了在盘建模中使用一致化学输入的必要性。

ABSTRACT

Aims. We define a small and large chemical network which can be used for the quantitative simultaneous analysis of molecular emission from the near-IR to the submm. We revise reactions of excited molecular hydrogen, which are not included in UMIST, to provide a homogeneous database for future applications. Methods. We use the thermo-chemical disk modeling code ProDiMo and a standard T Tauri disk model to evaluate the impact of various chemical networks, reaction rate databases and sets of adsorption energies on a large sample of chemical species and emerging line fluxes from the near-IR to the submm wavelength range. Results. We find large differences in the masses and radial distribution of ice reservoirs when considering freeze-out on bare or polar ice coated grains. Most strongly the ammonia ice mass and the location of the snow line (water) change. As a consequence molecules associated to the ice lines such as N2H+ change their emitting region; none of the line fluxes in the sample considered here changes by more than 25% except CO isotopologues, CN and N2H+ lines. The three-body reaction N+H2+M plays a key role in the formation of water in the outer disk. Besides that, differences between the UMIST 2006 and 2012 database change line fluxes in the sample considered here by less than a factor 2 (a subset of low excitation CO and fine structure lines stays even within 25%); exceptions are OH, CN, HCN, HCO+ and N2H+ lines. However, different networks such as OSU and KIDA 2011 lead to pronounced differences in the chemistry inside 100 au and thus affect emission lines from high excitation CO, OH and CN lines. H2 is easily excited at the disk surface and state-to-state reactions enhance the abundance of CH+ and to a lesser extent HCO+. For sub-mm lines of HCN, N2H+ and HCO+, a more complex larger network is recommended. ABBREVIATED

研究动机与目标

• 开发一致的、基于物理的原行星盘化学网络，将碳、氧与氮化学联系起来，避免人为汇项。
• 评估不同反应速率数据库（如UMIST 2006与2012、KIDA 2011、OSU）对分子丰度与发射线通量的影响。
• 研究尘埃颗粒表面组成（裸露 vs. 极性冰覆盖）与吸附能对冰储库质量与雪线位置的影响。
• 评估三体反应在水形成中的作用，以及X射线与紫外辐射诱导脱附对分子化学的影响。
• 通过识别影响观测谱线数据稳健解释的关键反应与数据缺口，为未来盘建模提供基准。

提出的方法

• 本研究使用ProDiMo热化学盘代码，基于标准T Tauri盘模型模拟年龄大于0.5 Myr的稳态化学过程。
• 测试了多个化学网络（小规模与大规模），包括KIDA 2011、OSU与自定义网络，以评估网络规模的敏感性。
• 系统比较了反应速率数据库，包括UMIST 2006、UMIST 2012与替代数据库，重点关注水形成的关键反应如N + H2 + M。
• 将吸附能设置为四组：Aikawa、GH06、UMIST2012与温度依赖值，以评估其对冰形成与脱附的影响。
• 从近红外至亚毫米波段计算发射线通量，并在不同模型间比较，量化线强度差异。
• X射线化学通过文献中的电离截面与复合速率建模，包括Ne与Ar的电荷交换反应。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同化学网络规模在多大程度上影响原行星盘中关键分子的预测丰度与发射线通量？
• RQ2 反应速率数据库的差异（如UMIST 2006与2012）在多大程度上改变CO同位素、CN与N2H+线通量的预测？
• RQ3 尘埃颗粒表面组成（裸露 vs. 极性冰覆盖）在多大程度上影响冰储库的质量与径向分布，以及雪线位置？
• RQ4 三体反应（特别是N + H2 + M）在外部盘中水形成过程中起到何种作用？
• RQ5 吸附能的差异在多大程度上影响CO、HCN与N2H+等分子的发射线通量？

主要发现

• 氨冰质量与水雪线位置强烈受颗粒表面组成影响，极性冰覆盖颗粒导致与裸露颗粒相比显著不同的冰储库。
• 使用不同吸附能集时，CO同位素、CN与N2H+的线通量变化超过25%，表明对表面化学高度敏感。
• 三体反应N + H2 + M在外部盘中水形成过程中起关键作用，其速率显著影响冰相与气相化学。
• UMIST 2006与2012数据库之间的差异对大多数物种的线通量影响小于2倍，但例外包括OH、CN、HCN、HCO+与N2H+线。
• 更大规模的网络（如KIDA 2011与OSU）在100 au以内产生显著不同的化学行为，影响高激发态CO、OH与CN线。
• 态到态反应可增强盘表面CH+与HCO+的丰度，建议采用更复杂的网络以准确模拟HCN、N2H+与HCO+的亚毫米线。