[论文解读] Rotational Disruption of Dust and Ice by Radiative Torques in Protoplanetary Disks and Implications for Observations

Ngo-Duy Tung, Thiem Hoang|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2020

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 79被引用 15

一句话总结

本文提出辐射扭矩（RATs）可引致原行星盘中尘埃颗粒与冰包膜的旋转破碎，使大颗粒聚集体分解为纳米颗粒，从而在低于以往认为的温度下实现水和复杂分子的快速脱附。关键结果表明，该机制可解释盘表面多环芳烃（PAHs）/纳米颗粒的观测丰度，解决类地行星的碳缺失问题，并扩展水雪线，减少彗星形成而增加小行星形成。

ABSTRACT

Dust and ice mantles on dust grains play an important role in various processes in protoplanetary disks (PPDs) around a young star, including planetesimal formation, surface chemistry, and being the reservoir of water in habitable zones. In this paper, we will perform two-dimensional modeling of rotational disruption of dust grains and ice mantles due to centrifugal force within suprathermally rotating grains spun-up by radiative torques for disks around T-Tauri and Herbig Ae/Be stars. We first study rotational disruption of large composite grains and find that large aggregates could be disrupted into individual nanoparticles via the RAdiative Torque Disruption (RATD) mechanism. We then study rotational desorption of ice mantles and ro-thermal desorption of molecules from the ice mantle. We will show that ice mantles in the warm surface layer and above of the disk can be disrupted into small icy fragments, followed by rapid evaporation of molecules. We suggest that the rotational disruption mechanism can replenish the ubiquitous presence of polycyclic aromatic hydrogen (PAHs)/ nanoparticles in the hot surface layers of PPDs as observed in mid-IR emission, which are presumably destroyed by extreme ultraviolet (UV) stellar photons. We show that the water snowline is more extended in the presence of rotational desorption, which would decrease the number of comets but increase the number of asteroids formed in the solar nebula. Finally, we suggest that the more efficient breakup of carbonaceous grains than silicates by RATD might resolve the carbon deficit problem measured on the Earth and rocky bodies.

研究动机与目标

• 研究原行星盘（PPDs）中通过辐射扭矩（RATs）引起的尘埃与冰包膜的旋转破碎。
• 解释尽管存在破坏性的极端紫外辐射，多环芳烃（PAHs）和纳米颗粒为何仍持续存在于PPD热表面层中。
• 评估旋转破碎对冰包膜脱附、雪线范围以及行星天体形成（彗星与小行星）的影响。
• 通过选择性破碎含碳颗粒，提出解决地球与岩石天体长期存在的碳缺失问题。

提出的方法

• 利用带有扇形几何结构的被动照射盘模型，对T型星和赫比格Ae/Be星周围的二维PPD进行建模。
• 应用RAdiative Torque Disruption（RATD）机制，模拟大复合颗粒因离心力破裂为纳米颗粒的过程。
• 对快速旋转颗粒上冰包膜的旋转脱附与热脱附进行建模，结合因势垒降低而增强的脱附速率。
• 计算破碎与脱附时间尺度相对于颗粒碰撞时间及升华阈值的关系。
• 量化由于旋转破碎导致的消光系数变化，尤其在光学至中红外波段。
• 分析颗粒取向效应（B-RAT对齐），比较含碳与硅酸盐颗粒在破碎效率上的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 在原行星盘中，辐射扭矩对大尘埃聚集体破碎为纳米颗粒的效率如何？
• RQ2 冰包膜的旋转破碎是否能解释在低于150 K温度下水和复杂有机分子（COMs）的快速脱附？
• RQ3 旋转破碎在多大程度上将有效水雪线扩展至经典热升华极限之外？
• RQ4 尽管受到极端紫外辐射的破坏，为何在盘的热表面层中仍能观测到PAHs和纳米颗粒？
• RQ5 通过RATD选择性破碎含碳颗粒，是否能解释地球与岩石天体中观测到的碳缺失问题？

主要发现

• RATD机制能高效地将大复合颗粒（a ≳0.1 µm）破碎为纳米颗粒，其破碎时间尺度短于原行星盘温暖与热表面层中的颗粒碰撞时间。
• 即使颗粒温度Td ∼30–150 K，冰包膜的旋转破碎仍可发生，从而通过从微小冰粒上的旋转-热脱附实现水和复杂有机分子（COMs）的快速脱附。
• 尺寸为a ∼0.1–10 µm的颗粒发生旋转破碎后，其在光学与中红外波段的散射消光系数显著降低，此效应必须在PPD的偏振散射光观测中予以考虑。
• 该机制可重现PPD热表面层中观测到的PAHs与纳米颗粒丰度，解决了其在极端紫外辐射下仍能持续存在的悖论。
• 由旋转脱附定义的水雪线超出经典升华极限，导致彗星形成减少而小行星形成增加，T型星盘中总冰质量破碎量估计为10²³–10²⁴ g，赫比格Ae/Be星盘中为10²⁵ g。
• 由于B-RAT对齐较弱，含碳颗粒的旋转破碎效率高于硅酸盐颗粒，导致大颗粒含碳物质更易转化为纳米颗粒，从而为类地行星的碳缺失问题提供了解决方案。