Химическая структура протопланетных дисков со стационарной и вспышечной аккрецией

Протопланетный диск — это уплощённый вращающийся объект из газа и пыли, который образуется вместе с протозвездой в процессе коллап- са межзвёздного молекулярного облака. Считается, что именно в прото- планетных дисках образуются планеты. В частности, из подобного диска, называемого протосолнечной туманностью, образовалась планеты нашей Солнечной системы. Интерес к исследованию протопланетных дисков в по- следние годы возрастает благодаря появлению новых наблюдательных дан- ных. Во-первых, огромное разнообразие обнаруженных экзопланет порож- дает новые вопросы об их формировании. Во-вторых, новые инфракрас- ные и субмиллиметровые инструменты, такие как Herschel, SMA, ALMA, NOEMA и др., позволили получить детальные изображения самих прото- планетных дисков, в том числе в линиях излучения молекул, с хорошим пространственным и спектральным разрешением [1–3].
Протопланетные диски формируются в процессе коллапса молеку- лярного облака и наследуют из него вещество: газ, пыль и ледяные мантии, покрывающие пылинки. Однако это вещество продолжает в диске актив- ную эволюцию, и химический состав протопланетных дисков существенно отличается от состава родительского молекулярного облака.
Химический состав протопланетного диска интересен по многим при- чинам. Он содержит информацию о происходящих в диске процессах. Неко- торые химические компоненты являются активными участниками этих процессов, определяя скорости нагрева и охлаждения, а также эффектив- ность взаимодействия вещества диска с магнитным полем. Кроме того, хи- мическая эволюция диска может отразиться на составе образующихся пла- нет. Например, содержание молекул в атмосферах газовых гигантов может зависеть от механизма формирования этих планет и количества углерода и кислорода в веществе, из которого они образовались [4,5], а содержание в диске воды может влиять на формирование и эволюцию планет земной группы [6].
Наблюдение и анализ излучения молекул позволяют диагностировать физические характеристики диска, необходимые для понимания его стро- ения и эволюции: массу диска, его кинематическую структуру, степень ионизации вещества и др. Молекулярный состав диска зависит от массы и светимости центральной звезды, размера и массы самого диска, парамет- ров ансамбля пыли, состава исходного вещества, наличия эпизодических вспышек аккреции. Поэтому для интерпретации наблюдательных данных необходимо уметь рассчитывать содержание химических соединений и их распределение по диску, т.е. строить химическую модель диска, учитывая все существенные параметры диска и центральной звезды.
Для решения данной задачи прибегают к астрохимическому модели- рованию. Оно является важным инструментом исследования межзвёздной и околозвёздной среды [7–9]. Характерные для протопланетных дисков вы- сокие плотности, низкие температуры и поле излучения, характеризующе- еся высокой плотностью достаточно энергичных фотонов, а также актив- ная эволюция пыли способствуют разнообразию химического состава [10]. Для описания физической структуры протопланетных дисков и расчёта эволюции их химического состава создаются специализированные физико- химические модели, такие как ProDiMo [11], DALI [12], ANDES [13].
Астрохимические модели протопланетных дисков [11–13] подробно описывают химические процессы, но при этом предполагают упрощён- ную структуру диска, в основном квазистационарную и осесимметричную. Включение химии в динамические модели, учитывающие самогравитацию и динамику газа и пыли, требует больших вычислительных мощностей. Существуют такие модели, позволяющие подробно рассмотреть эволюцию диска на временах порядка тысяч лет [14]. Для рассмотрения более длин- ных временных шкал (сотни тысяч лет) используют, модели с ограничен- ным набором химических процессов, например [15].
Одной из важных особенностей молодых звёзд с протопланетны- ми дисками являются отмечающиеся у некоторых из них эпизодические вспышки аккреции [16]. Сопутствующее увеличение аккреционной свети- мости может существенно повлиять на химический состав диска и на его физические параметры [17]. Теоретическое моделирование процессов ак- креции в дисках приводит к выводу, что подобные вспышки должны проис- ходить у большинства молодых звёздных объектов [18]. Однако в большин- стве случаев изменение светимости не находит отражения в наблюдениях из-за продолжительных периодов спокойной аккреции между вспышками. Тем не менее, состав дисков, испытывающих или испытывавших в прошлом такие вспышки, может заметно отличаться от состава спокойных дисков, что открывает перспективу выявления таких дисков по химическим инди- каторам.
Моделирование зависимости состава газа и льда в протопланетных дисках от различных параметров, в том числе при разных режимах аккре- ции, является эффективным инструментом исследования в современной астрофизике. Оно необходимо для интерпретации наблюдательных данных и построения (совершенствования) теории эволюции протопланетных дис- ков, в том числе в контексте образования планет. Данная диссертационная работа посвящена изучению свойств протопланетных дисков методом моде- лирования химического состава протопланетных дисков в рамках несколь- ких подходов, охватывающих с разных сторон химические и динамические процессы в дисках.

Структура диссертации Диссертация состоит из введения, трёх глав и заключения. Число страниц в диссертации 168, рисунков 29, таблиц 7. Список литературы со- держит 193 наименования.
Во Введении представлен краткий обзор предмета исследования и содержания диссертационной работы. Описаны актуальность диссертаци- онной работы, её цели и задачи, новизна полученных результатов, их науч- ная и практическая значимость. Представлена информация по апробации результатов, научным публикациям по результатам исследований соиска- тельницы и её вкладе в работу.
В Главе 1 представлены методика и результаты моделирования ан- самбля протопланетных дисков с различными параметрами с целью си- стематического поиска перспективных молекулярных индикаторов массы диска.
Масса протопланетного диска является одним из его важнейших па- раметров. Для её определения часто применяется излучение в линиях мо- лекул. В частности, используют молекулу CO, которая имеет высокую кон- центрацию, легко наблюдаемые вращательные переходы, а также относи- тельно простую химию. Ожидаемое содержание этой молекулы в газе хо- рошо известно для условий межзвёздной среды, однако для дисков фактор конверсии наблюдаемого CO в массу диска может заметно отличаться.
Данная глава посвящена теоретическому исследованию применимо- сти молекулы CO в качестве индикатора массы протопланетных дисков с точки зрения зависимости её относительного содержания от парамет- ра диска. Также анализируется содержание других химических соедине- ний, потенциально претендующих на роль индикаторов массы. Оценива- ется разброс значений полного содержания различных молекул в диске в зависимости от структурных параметров диска. Для расчётов использу- ется астрохимическая модель квазистационарного протопланетного диска ANDES [13].
В разделе 1.1 даётся обзор применения молекулы CO для определе- ния массы протопланетных дисков. В разделе 1.2 описывается используе- мая астрохимическая модель протопланетного диска. В разделе 1.3 выде- ляются молекулы, подходящие на роль индикаторов массы. Анализируется распределение углерода по молекулам (раздел 1.4), химические процессы, определяющие химическую структуру диска (раздел 1.4.1), и влияние па- раметров модели на содержание молекулы CO (раздел 1.5). В разделе 1.6 даётся интерпретация полученных результатов.
Глава 2 посвящена исследованию воздействия вспышек светимости типа FU Ориона (фуоров) на химический состав протопланетных дисков.
Вспышки светимости различной амплитуды наблюдаются у мно- гих молодых звёздных объектов. Нестационарность химических процес- сов, происходящих во время вспышки, может приводить к появлению или исчезновению характерных соединений. Химический состав меняется не мгновенно и может сохранять отпечаток вспышки даже после её оконча- ния. Выделение особенностей химического состава протопланетных дисков, испытавших в прошлом влияние вспышки фуора, необходимо, чтобы иден- тифицировать такие объекты в наблюдениях.
В данной главе исследуется, как эволюционирует химический состав диска вокруг фуора под действием вспышки светимости. С помощью астро- химической модели ANDES анализируется, как вспышка светимости вли- яет на химический состав вещества и как быстро он возвращается к ис- ходному (довспышечному) составу после её окончания. Также исследует- ся пространство параметров и идентифицируются соединения, содержание которых наиболее чувствительно к вспышке светимости, в особенности со- единения, сохраняющиеся в диске на больших временных масштабах.
В разделе 2.1 приводится обзор наблюдательных проявлений фуоров и сопутствующих изменений в свойствах протопланетных дисков. Особен- ности применяемой модели описаны в разделе 2.2. Далее проводится срав- нение с результатами предыдущих работ (разделы 2.3 и 2.4), выделяются наиболее чувствительные к вспышке соединения, рассматриваются их рас- пределения по диску (раздел 2.5).
Глава 3 посвящена исследованию структуры динамического газопы- левого диска с ограниченным набором химических соединений и реакций. Эволюция протопланетных дисков на ранних стадиях эволюции ха-
рактеризуется существенным влиянием различных динамических процес- сов. В дисках развивается гравитационная неустойчивость, образуются спирали и сгустки, активно растёт и дрейфует пыль, вещество аккрецирует на звезду. Эти процессы могут оказывать влияние на химический состав диска, однако в предыдущих главах в целях более детального рассмотрения химической эволюции диска они игнорировались.
В данной главе рассматривается динамическая эволюция в диске со- держания наиболее обильных летучих молекул — H2O, CO2, CH4 и CO — находящихся в газовой и ледяной фазах. Представлена обновлённая дву- мерная модель самогравитирующего протопланетного диска с эволюцией пыли FEOSAD [19], в которую добавлен модуль эволюции летучих соедине- ний с учётом их влияния на фрагментацию пыли. По результатам модели- рования анализируется состав ледяных мантий пылинок и его изменение, а также влияние наличия ледяных мантий на эволюцию пыли.
Принятая модель перехода летучих соединений между газовой фазой и ледяными мантиями подробно описана в разделе 3.2. Основные свойства модели диска и особенности включения в неё летучих представлены в раз- деле 3.3. Проанализированы полученные в моделях распределения газа и пыли (раздел 3.4), распределения летучих соединений (раздел 3.5) и состав ледяных мантий пылинок (раздел 3.6).
В Заключении представлены основные результаты диссертацион- ной работы. Даны рекомендации для дальнейшего развития темы диссер- тации.
В Приложениях 1 и 2 представлены дополнительные материалы по Главе 1 и Главе 2, соответственно.
Цели диссертационной работы
1. Поиск молекулярных индикаторов массы протопланетных дисков на основе астрохимического моделирования ансамбля квазистационар- ных моделей с различными параметрами диска и центральной звез- ды;
2. Поиск индикаторов вспышки светимости типа FU Ориона — химиче- ских соединений, содержание которых в диске значительно возраста- ет во время вспышки, а также остаётся повышенным в течение про- должительного времени после её окончания;
3. Анализ распределения по протопланетному диску основных летучих соединений в газовой и ледяной фазах в рамках двумерного гидро- динамического моделирования с учётом самогравитации и эволюции пыли.
Задачи
1. Создание ансамбля моделей протопланетных дисков с различными параметрами. Проведение расчётов химического состава для ансам- бля моделей.
2. Поиск корреляций между массой диска и рассчитанным полным со- держанием в нём различных соединений. Выявление потенциальных индикаторов массы на основе этих данных, анализ наблюдательных перспектив для отобранных молекул. 3. Модификация модели для расчёта химического состава протопланет- ного диска, испытывающего вспышку светимости типа FU Ориона. Проведение вычислений для моделей с различными параметрами.
4. Сравнение рассчитанных содержаний соединений до, во время и по- сле вспышки. Поиск соединений, наиболее чувствительных к вспыш- ке, анализ путей их формирования и разрушения при вспышке и их чувствительности к параметрам модели.
5. Разработка и внедрение в существующую газодинамическую модель протопланетного диска модуля, описывающего фазовые превращения летучих соединений и влияние наличия льдов на поверхности пыли на её эволюцию.
6. Проведение численных расчётов и анализ полученных распределений по диску различных параметров газа и пыли: поверхностных плотно- стей газа и пыли, их скоростей, размера пыли, температуры и т.д.
7. Анализ содержания летучих соединений в газе и на поверхности пы- ли, их влияния на эволюцию пыли, а также роли динамических про- цессов в эволюции самих летучих соединений.
Научная новизна
В данной диссертационной работе впервые проведён систематический поиск индикаторов массы протопланетных дисков на основе астрохимиче- ского моделирования ансамбля протопланетных дисков. Обосновано при- менение в качестве индикатора массы дисков молекулы CO, даны оценки содержания в дисках газофазного CO, описаны причины и особенности ва- риаций содержания CO в дисках.
Впервые проведён систематический анализ влияния вспышки фуора на содержание в протопланетном диске различных, в том числе сложных органических, молекул в рамках детальной астрохимической модели диска. Даются рекомендации по наблюдению молекул в дисках, испытывающих и испытывавших в прошлом вспышки светимости.
В рамках численной модели впервые описана динамика летучих со- единений в самогравитирующем протопланетном диске с эволюцией пыли. Проанализировано влияние ледяных мантий на эволюцию пыли в дисках с высокой и низкой турбулентностью.
Научная и практическая значимость
Результаты анализа применимости различных молекул в качестве ин- дикаторов массы протопланетных дисков могут использоваться другими исследователями для определения массы дисков из наблюдений. Выводы о содержании CO в дисках могут применяться для учёта химического раз- рушения CO при определении массы газа по наблюдению CO.
Предложенные списки молекул, чувствительных к вспышкам све- тимости, могут использоваться для идентификации признаков прошлой вспышечной активности у объектов, в настоящее время не проявляющих значительных вариаций светимости.
Обновлённая версия гидродинамического кода для моделирования протопланетных дисков FEOSAD, включающая динамику летучих соеди- нений, может использоваться для дальнейшего теоретического исследова- ния содержания льдов в протопланетных дисках и их влияния на эволюцию пыли. Выводы о накоплении летучих соединений на линиях льдов, расчёты состава ледяных мантий и их влиянии на эволюцию пыли могут исполь- зоваться для дальнейшего развития теоретических моделей роста пыли и образования планет. Методология и методы исследования
Задачи диссертации решались при помощи численного моделирова- ния кодами ANDES [13] и FEOSAD [19]. Расчёты проводились на вычисли- тельном кластере ИНАСАН и на Венском научном кластере (VSC). Резуль- таты анализировались с помощью авторского программного обеспечения.
Достоверность представленных результатов
Достоверность представленных в диссертационной работе результа- тов исследования химического состава протопланетных дисков со стацио- нарной и вспышечной аккрецией подтверждается сравнением с теоретиче- скими и наблюдательными данными других авторов и обсуждением полу- ченных результатов на конференциях и семинарах. Результаты опублико- ваны в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.
Личный вклад автора
Соискательница лично участвовала в постановке задач, написании кода, получении и обработке результатов численных экспериментов, сов- местно с соавторами участвовала в обсуждении результатов и формули- ровке выводов.
В частности, соискательницей:
1. Выбраны параметры ансамбля моделей протопланетных дисков, раз- работан способ задания вспышки светимости.
2. Разработан и внедрён в код FEOSAD модуль расчёта адсорбции и десорбции летучих соединений. Добавлена обновлённая модель эво- люции пыли.
3. Проведены все расчёты кодами ANDES и FEOSAD. 4. Разработаны методы анализа результатов моделирования и критерии отбора перспективных индикаторов массы дисков и вспышек фуоров.
5. Проанализированы полученные в модели FEOSAD распределения льдов и газофазных соединений, дана теоретическая интерпретация накопления летучих соединений на линиях льдов.
Положения, выносимые на защиту по результатам диссертацион- ной работы
∙ Показано, что молекула CO является наиболее адекватным молеку- лярным индикатором массы протопланетных дисков. Показано, что средняя концентрация CO в дисках составляет 1.6 × 10−5 по отноше- нию к H2, что на порядок ниже, чем в молекулярных облаках. Пока- зано, что при определении масс дисков по CO пренебрежение хими- ческим разрушением CO может приводить к в среднем трёхкратной недооценке массы дисков.
∙ Показано, что во время вспышки фуора содержание многих соеди- нений, в том числе сложных органических молекул, повышается на несколько порядков, благодаря чему они могут быть задетекти- рованы. Предсказанные вспышечные содержания молекул CH3CHO и HCOOCH3 хорошо согласуются с полученными впоследствии на ALMA независимыми наблюдательными данными для фуора V883 Ориона.
∙ Определены молекулы, высокое содержание которых в дисках мо- жет свидетельствовать о прошлой вспышечной активности молодо- го звёздного объекта. Установлено, что содержание H2CO, NH2OH, CH3CHO, CH3OCH3, HCOOCH3, C3H3 и C2H2 остаётся повышенным от десятков до тысяч лет после окончания вспышки. ∙ Разработана модель адсорбции и десорбции летучих соединений для многокомпонентной модели пыли. Модель добавлена в двумерный гидродинамический код FEOSAD, что обеспечило возможность рас- сматривать совместную динамику газа, пыли и льдов в протопла- нетных дисках. С помощью данной модели показано, что при высо- кой турбулентности ледяные мантии вызывают заметное изменение свойств пыли в окрестности линии льдов воды.
∙ Показано, что льды попадают на крупную пыль, главным образом, в результате коагуляции обледеневших мелких пылинок. Вдоль линий льдов накапливаются газофазные и ледяные летучие соединения, при этом повышение их содержания относительно среднего уровня может достигать двух порядков величины.
Апробация
Результаты диссертации были представлены на российских и зару- бежных конференциях и семинарах в качестве устных и стендовых докла- дов:
1. 46-я студенческая научная конференция «Физика Космоса» (Коуров- ская астрономическая обсерватория УрФУ, Екатеринбург, 30 января – 03 февраля 2017);
2. XIV Конференция молодых учёных «Фундаментальные и приклад- ные космические исследования» (ИКИ РАН, Москва, 12–14 апреля 2017);
3. Current and Future Perspectives of Chemical Modelling in Astrophysics (UHH, Hamburg, July 15th–17th, 2017);
4. Planet Formation and Evolution, (AIU Jena, Jena, September 25–27, 2017); 5. Конкурс молодых учёных ИНАСАН (ИНАСАН, Москва, 03 ноября 2017);
6. Конференция «Звездообразование и планетообразование. Наблюде- ния, теория, численный эксперимент.» (АКЦ ФИАН, Москва, 13–15 ноября 2017);
7. 47-я студенческая научная конференция “Физика Космоса” (Коуров- ская астрономическая обсерватория УрФУ, Екатеринбург, 29 января – 02 февраля 2018);
8. VII Пулковская молодёжная астрономическая конференция (ГАО РАН, Санкт-Петербург, 28–31 мая 2018);
9. XXXth General Assembly of the International Astronomical Union, IAU Symposium 345: Origins: From the Protosun to the First Steps of Life (University of Vienna, Vienna, Austria, August 20–23, 2018);
10. Seminar at Konkoly Observatory (Budapest, Hungary, October 25, 2018);
11. Конкурс молодых учёных ИНАСАН (ИНАСАН, Москва, 15 ноября 2018);
12. Конференция «Звездообразование и планетообразование» (АКЦ ФИ- АН, Москва, 12–13 ноября 2019);
13. СеминарлабораторииастрохимииивнеземнойфизикиУрФУ(УрФУ, Екатеринбург, 8 мая 2020, онлайн);
14. Международная школа и рабочее совещание «Исследования экзопла- нет — 2020» для молодых учёных и студентов (ИНАСАН, Москва, 9–12 октября 2020, онлайн);
15. Конкурс молодых учёных ИНАСАН (ИНАСАН, Москва, 5 ноября 2020); 16. Конференция «Звездообразование и планетообразование» (АКЦ ФИ- АН, Москва, 10–11 ноября 2020, онлайн);
17. Online conference ‘Five years after HL Tau: a new era in planet formation’ (Chile, December 7–11, 2020);
18. Оnline workshop ‘Accretion and luminosity bursts across the stellar mass spectrum’ (Southern Federal University, December 15–16, 2020).
Публикации по теме диссертации
Основные результаты работы опубликованы в рецензируемых науч- ных изданиях, из них 4 — в журналах, рекомендованных ВАК.
Статьи в журналах, рекомендованных ВАК:
[A1] Molyarova T., Akimkin V., Semenov D., Henning Th., Vasyunin A., Wiebe D. Gas mass tracers in protoplanetary disks: CO is still the best // The Astrophysical Journal. — 2017. — V. 849. — No. 2. — A130.
[A2] Molyarova T., Akimkin V., Semenov D., A ́brah ́am P., Henning Th., K ́osp ́al A ́., Vorobyov E., Wiebe D. Chemical Signatures of the FU Ori Outbursts // The Astrophysical Journal. — 2018. — V. 866. — No. 1. — A46.
[A3] Wiebe D. S., Molyarova T. S., Akimkin V. V., Vorobyov E. I., Semenov D. A. Luminosity outburst chemistry in protoplanetary discs: going beyond standard tracers // MNRAS — 2019. — V. 485. — Pp. 1843- 1863.
[A4] Molyarova T., Vorobyov E. I., Akimkin V., Skliarevskii A., Wiebe D., Gu ̈del M. Gravitoviscous protoplanetary disks with a dust component. V. The dynamic model for freeze-out and sublimation of volatiles // The Astrophysical Journal. — 2021. — V. 910. — No. 2. — A153. Другие публикации автора по теме диссертации
[B1] Молярова Т. С., Акимкин В. В., Шустов Б. М. Химический состав льдов в протопланетных дисках // Сборник трудов мемориальной конференции 2018 г., посвященной памяти академика А. А. Боярчука. Под ред. Д. В. Бисикало, Д. З. Вибе. — 2018. — С. 328-333.
[B2] Молярова Т. С., Элбакян В. Г. Химический отклик вспышек аккре- ции в погружённых фуорах // Научные труды Института астрономии РАН. Том 4. — 2019. — Т. 4 — С. 45-49.
[B3] Молярова Т. С., Вибе Д. З. Сопоставление наблюдаемых содержа- ний сложной органики в V 883 Ori с результатами астрохимического моделирования // Научные труды Института астрономии РАН. Том 4. — 2019. — Т. 4 — С. 50-55.
[B4] Molyarova T., Akimkin V., Semenov D., A ́brah ́am P., Henning Th., K ́osp ́al A ́., Vorobyov E., Wiebe D. Chemical modeling of FU Ori protoplanetary disks // Origins: From the Protosun to the First Steps of Life. Proceedings of the International Astronomical Union. — 2020. — V. 345. — Pp. 367-368.
[B5] Молярова Т. С., Акимкин В. В., Воробьёв Э. И. Распределение летучих соединений в самогравитирующем протозвёздном диске // Научные труды Института астрономии РАН. Том 4. — 2019. — Т. 4 — С. 40-44.