A Constraint on the Amount of Hydrogen from the CO Chemistry in Debris Disks
Auteurs : Kazunari Iwasaki, Hiroshi Kobayashi, Aya E. Higuchi, Yuri Aikawa
Points clés générés par l'IA
- Les gaz CO faibles dans les disques de débris se dissolvent facilement en C par irradiation UV.
- Le CO peut être reformé via des réactions avec l'hydrogène, ce qui permet d'évaluer la quantité d'hydrogène présente dans ces disques en analysant le rapport d'abondance de C/CO.
- Des calculs de transfert radiatif incluant des réactions chimiques sont utilisés pour étudier ces phénomènes dans les disques de débris.
- La formation du CO se fait sans l'intervention de H$_2$ pour un rapport typique masse poussière/gaz des disques de débris, en raison de l'inefficacité de la formation de H$_2$ causée par une petite quantité de grains de poussière.
- Le ratio densité numérique du CO au C dépend d'une combinaison $n_\mathrm{H}Z^{0.4}\chi^{-1.1}$, offrant des contraintes sur la quantité d'hydrogène et la métallicité présentes dans les disques.
- L'accélération de la formation du CO peut se produire lorsque le rapport masse poussière/gaz est augmenté ou lorsque la barrière énergétique de chimisorption d'hydrogène sur la surface des grains est diminuée, mais uniquement lorsque les effets protecteurs du CO sont insignifiants.
- Dans les régions protégées, les fractions en CO sont presque indépendantes des paramètres des grains de poussière.
Résumé : The faint CO gases in debris disks are easily dissolved into C by UV irradiation, while CO can be reformed via reactions with hydrogen. The abundance ratio of C/CO could thus be a probe of the amount of hydrogen in the debris disks. We conduct radiative transfer calculations with chemical reactions for debris disks. For a typical dust-to-gas mass ratio of debris disks, CO formation proceeds without the involvement of H$_2$ because a small amount of dust grains makes H$_2$ formation inefficient. We find that the CO to C number density ratio depends on a combination of $n_\mathrm{H}Z^{0.4}\chi^{-1.1}$, where $n_\mathrm{H}$ is the hydrogen nucleus number density, $Z$ is the metallicity, and $\chi$ is the FUV flux normalized by the Habing flux. Using an analytic formula for the CO number density, we give constraints on the amount of hydrogen and metallicity for debris disks. CO formation is accelerated by excited H$_2$ either when the dust-to-gas mass ratio is increased or the energy barrier of chemisorption of hydrogen on the dust surface is decreased. This acceleration of CO formation occurs only when the shielding effects of CO are insignificant. In shielded regions, the CO fractions are almost independent of the parameters of dust grains.
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