[论文解读] Upper limits on CH$_3$OH in the HD 163296 protoplanetary disk: evidence for a low gas-phase CH$_3$OH/H$_2$CO ratio

M. T. Carney, M. R. Hogerheijde+7 more|White Rose Research Online (University of Leeds, The University of Sheffield, University of York)|Jan 9, 2019

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 74被引用 22

一句话总结

本研究利用ALMA观测在HD 163296原行星盘中搜寻气相甲醇（CH₃OH），未检测到信号，确立了其盘平均柱密度的3σ上限为<5.0×10¹¹ cm⁻²。由此得出的CH₃OH/H₂CO比例小于0.24，显著低于在TW Hydrae盘中观测到的1.27，表明恒星辐射差异——可能源于HD 163296的金牛T型星——强烈影响了盘内化学复杂性，通过抑制甲醇相对于甲醛的丰度。

ABSTRACT

Methanol (CH$_3$OH) is at the root of organic ice chemistry in protoplanetary disks. However, its weak emission has made detections difficult. To date, gas-phase CH$_3$OH has been detected in only one Class II disk, TW Hya. We use the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) to search for a total of four CH$_3$OH emission lines in bands 6 and 7 toward the disk around the young Herbig Ae star HD 163296. The disk-averaged column density of methanol and its related species formaldehyde (H$_2$CO) are estimated assuming optically thin emission in local thermodynamic equilibrium. We compare these results to the gas-phase column densities of the TW Hya disk. No targeted methanol lines were detected individually nor after line stacking. The 3$σ$ disk-integrated intensity upper limits are $&lt; 51$ mJy km s$^{-1}$ for the band 6 lines and $&lt; 26$ mJy km s$^{-1}$ for the band 7 lines. The band 7 lines provide the strictest 3$σ$ upper limit on disk-averaged column density with $N_{\mathrm{avg}} &lt; 5.0 imes 10^{11}$ cm$^{-2}$. The methanol-to-formaldehyde ratio is CH$_3$OH/H$_2$CO $&lt; 0.24$ in the HD 163296 disk compared to a ratio of $1.27$ in the TW Hya disk. Differences in the stellar irradiation of Herbig disks compared to T Tauri disks likely influence the gaseous methanol and formaldehyde content. Possible reasons for the lower HD 163296 methanol-to-formaldehyde ratio include: a higher than expected gas-phase formation of H$_2$CO in the HD 163296 disk, uncertainties in the grain surface formation efficiency of CH$_3$OH and H$_2$CO, and differences in the disk structure and/or CH$_3$OH and H$_2$CO desorption processes that release the molecules from ice mantles back into the gas phase. These results provide observational evidence that the gas-phase chemical complexity found in disks may be strongly influenced by the spectral type of the host star.

研究动机与目标

• 约束HD 163296原行星盘中气相甲醇丰度，该盘是天体化学研究的关键目标。
• 探究盘中平面的化学环境，特别是甲醇在前生命化学路径中的作用。
• 将HD 163296中甲醇与甲醛的丰度与TW Hydrae盘中的丰度进行比较，以探究与恒星类型相关的化学特性。
• 评估恒星辐射对原行星盘中关键有机分子脱附与形成的影响。

提出的方法

• 利用ALMA的band 6和band 7观测，分别针对中心频率为241.7 GHz和304.2 GHz的四条CH₃OH发射线。
• 在图像平面上应用开普勒掩模，以提升盘平均发射的信噪比。
• 在uv平面上执行匹配滤波分析，以提高对弱扩展发射的敏感度。
• 采用线叠加技术合并多个跃迁谱线，增强对低信噪比特征的检测能力。
• 在光学薄发射和局部热动平衡（LTE）假设下估算盘平均柱密度。
• 通过将CH₃OH的上限与先前观测中测得的H₂CO柱密度进行比较，推导出甲醇与甲醛的比例。

实验结果

研究问题

• RQ1 HD 163296原行星盘中气相甲醇的丰度是多少？与其他已知盘相比有何差异？
• RQ2 尽管甲醇预计在冰粒表面生成，为何在原行星盘中如此难以检测？
• RQ3 HD 163296中CH₃OH/H₂CO丰度比与TW Hydrae盘相比如何？这对盘化学有何启示？
• RQ4 恒星的光谱类型（金牛T型星与赫比格Ae星）在多大程度上影响关键有机分子的气相丰度？
• RQ5 何种物理或化学过程可解释HD 163296中低于预期的CH₃OH/H₂CO比例？

主要发现

• 在HD 163296中未检测到CH₃OH发射线，band 6和band 7的3σ上限分别为<51 mJy km s⁻¹和<26 mJy km s⁻¹。
• 最严格的盘平均CH₃OH柱密度上限为<5.0×10¹¹ cm⁻²，来自band 7中CH₃OH 2₁₁–2₀₂ (A)跃迁线。
• HD 163296中CH₃OH/H₂CO比例被限制在<0.24，显著低于TW Hydrae盘中测得的1.27。
• 较低的CH₃OH/H₂CO比例表明，HD 163296的赫比格Ae星带来的更高恒星辐射可能改变了有机分子的化学路径或脱附效率。
• 可能的原因包括气相中H₂CO生成增强、H₂CO在表面氢化生成CH₃OH的效率降低，或CH₃OH与H₂CO脱附过程的差异。
• 这些结果为宿主恒星光谱类型和辐射环境强烈影响原行星盘化学复杂性的观测证据提供了支持。