Richard Teague, Dmitry Semenov, Stephane Guilloteau, Thomas Henning, Anne Dutrey & the CID Collaboration

Disk Diagnosticswith Deuteration

DSS  Consor)um,  SDSS,  NASA/ESA,  Akira  Fujii

DCO+ in DM Tau

Hydrosta)c  equilibrium  leads  to  a  strongly  stra)fied  structure.

Molecular  line  emission  will  probe  the  intermediate  layer.

Henning  &  Semenov  (2013)

RD  is  the  ra)o  of  a  deuterated  isotopologue  to  the  non-­‐deuterated  isotopologue.

In  protoplanetary  disks  HCO+  is  a  readily  observable  molecule.  It  allows  for  comparisons  with  other  epochs  in  the  evolu)on  of  molecular  gas.

We  imaged  with  the  Plateau  de  Bure  Interferometer  HCO+  J=(3-­‐2),  (1-­‐0)  and  DCO+  J=(3-­‐2)  emission  in  DM  Tau.

a  hRp://www.iram.fr/IRAMFR/GILDAS/

Obtained  a  ~1.5’’  spaCal  and  ~0.2  km  s-­‐1  velocity  resoluCon.  Data  was  reduced  with  the  standard  MAPPINGa  soXware.

Column  densi)es  of  HCO+  and  DCO+  were  extracted  using  DISKFITa.  Describes  physical  properCes  of  the  disk  with  power  laws.  

Assumes  LTE  and  fits  the  visibili)es  in  the  uv-­‐plane.

Column  DensiCes RD  =  N(DCO+)  /  N(HCO+)

RD  varies  between  0.1  and  0.2.  !

Computa)onal  model  used  similar  physical  structure  of  D’Alessio  et  al.  (1999).  Chemical  model  run  with  ALCHEMICa  which  includes  an  

extended  deuterium  networkb  and  ortho/para  chemistryc.

!a  Semenov  et  al.  (2010),  b  Albertsson  et  al.  (2013),  c  Albertsson  et  al.  (2014a)

Column  densi)es  were  found  to  agree  well  with  observaConally  derived  values.  RD  clearly  evolves  with  Cme,  and  also  fits  qualita)vely  well  with  observa)ons…

Column  DensiCes RD  =  N(DCO+)  /  N(HCO+)

H2 H2  H2D+

H2  HCO+

 DCO+  H3+  H2+  H2

CO

HD

H2

H2

ice

ice

CO

What  controls  the  abundances  of  HCO+  and  DCO+?  An  incredibly  simplified  chemical  network  for  the  molecular  layer…

H2 H2  H2D+

H2  HCO+

 DCO+  H3+  H2+  H2

CO

HD

H2

H2

ice

ice

CO

Cold  region  chemistry  driven  by  ion  -­‐  neutral  reac)ons.  Requires  ini)al  ionizaCon  of  H2  to  kick  start  chemistry.

H2 H2  H2D+

H2  HCO+

 DCO+  H3+  H2+  H2

CO

HD

H2

H2

ice

ice

CO

…deuterium  fracConaCon  will  occur  in  cold  environments…(here  we  neglect  the  doubly  and  triply  deuterated  isotopologues.)

H2 H2  H2D+

H2  HCO+

 DCO+  H3+  H2+  H2

CO

HD

H2

H2

ice

ice

CO

…due  to  the  energy  barrier  which  deters  backwards  reac)ons.

H2 H2  H2D+

H2  HCO+

 DCO+  H3+  H2+  H2

CO

HD

H2

H2

ice

ice

CO

Assuming  CO  is  present  in  the  gas  phase  and  has  not  frozen  out…(or  other  forms  of  deple)on)

H2 H2  H2D+

H2  HCO+

 DCO+  H3+  H2+  H2

CO

HD

H2

H2

ice

ice

CO

…fast  ion-­‐neutral  reac)ons  with  CO  transfer  this  deuterium  ra)o  to  HCO+  and  DCO+.

H2 H2  H2D+

H2  HCO+

 DCO+  H3+  H2+  H2

CO

HD

H2

H2

ice

ice

CO

Ioniza)on,  frac)ona)on  efficiency  and  CO  deple)on  all affect  the  measured  RD  values.

100R, AU

11.5

12.0

12.5

13.0

13.5

14.0

14.5

Lo

g10[N

(X),

cm

-2]

HCO+

DCO+

Best-fitLX=1031 erg/s

100R, AU

11.5

12.0

12.5

13.0

13.5

14.0

14.5

Lo

g10[N

(X),

cm

-2] HCO+

DCO+

Best-fitLX=3x1028 erg/s

Reduced  X-­‐RaysIncreased  X-­‐RaysLX  =    3x1028  erg  s-­‐1LX  =  1031  erg  s-­‐1

Solid  lines  are  the  HCO+  column  densi)es  and  the  dashed  DCO+

Comparisons  between  the  best  fit  model  and  a  model  with  an  altered  physical  parameter.

X-­‐rays  are  the  dominant  ionizaCon  source  where  HCO+  is  present.  High  ioniza)on  can  suppress  frac)ona)on  by  increasing  ortho-­‐H2  abundances.

Solid  lines  are  the  HCO+  column  densi)es  and  the  dashed  DCO+

100R, AU

11.5

12.0

12.5

13.0

13.5

14.0

14.5

Lo

g10[N

(X),

cm

-2] HCO+

DCO+

Best-fitno IS UV

100R, AU

11.5

12.0

12.5

13.0

13.5

14.0

14.5

Lo

g10[N

(X),

cm

-2]

HCO+

DCO+

Best-fitagr=1um

No  Interstellar  UV Increased  Grain  Sizesa  =  1  um

Comparisons  between  the  best  fit  model  and  a  model  with  an  altered  physical  parameter.

CO  deple)on  is  sensi)ve  to  UV  driven  photodesorpCon  of  heavy  ices  and  efficiency  of  CO  freeze  out  onto  grains.

Conclusions

• In  DM  Tau  RD  ~  0.1  -­‐  0.2  between  50  and  550  au.Consistent  with  con)nued  gaseous  processing  and  values  found  in  other  disks.  

!• X-­‐rays  are  the  dominant  ionizaCon  source  in  the  molecular  layer.

Different  depths  of  HCO+  and  DCO+  layers  result  in  the  two  being  affected  by  changes  in  X-­‐ray  luminosity  differently  .  

!• DepleCon  of  CO  strongly  affects  the  local  RD.

CO  deple)on  is  sensi)ve  to  the  freeze  out  efficiency  and  the  level  of  UV  driven  photodesorp)on.