[論文レビュー] A highly non-Keplerian protoplanetary disc: Spiral structure in the gas disc of CQ Tau

Lisa Wölfer, Stefano Facchini+10 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Dec 8, 2020

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、CQ Tau原始惑星系円盤の高解像度ALMA観測を提示し、12COの輝度温度およびドップラー速度の残差に、複数の大規模な渦巻き構造を伴う顕著な非ケプラーロンガス運動を明らかにした。これらの渦巻き構造は、近赤外領域の散乱光特徴と形態的に関連しており、10–180 auにわたり広がっており、おそらく25 au以内に存在する質量の大きな埋め込まれた伴星による摂動を示唆しており、円盤の構造的非均一性の原因として惑星-円盤相互作用を支持する。

ABSTRACT

In the past years, high angular resolution observations have revealed that circumstellar discs appear in a variety of shapes with diverse substructures being ubiquitous. This has given rise to the question of whether these substructures are triggered by planet-disc interactions. Besides direct imaging, one of the most promising methods to distinguish between different disc shaping mechanisms is to study the kinematics of the gas disc. In particular, the deviations of the rotation profile from Keplerian velocity can be used to probe perturbations in the gas pressure profile that may be caused by embedded planets. In this paper we aim to analyze the gas brightness temperature and kinematics of the transitional disc around the CQ Tau star in order to resolve and characterize substructure in the gas, caused by possible perturbers. For our analysis we use spatially resolved ALMA observations of 12CO, 13CO and C18O (J=2-1). We further extract robust line centroids for each channel map and fit a number of Keplerian disc models to the velocity field. The gas kinematics of the CQ Tau disc present non-Keplerian features, showing bent and twisted iso-velocity curves in 12CO and 13CO. Significant spiral structures are detected between 10-180 au in both the brightness temperature and the rotation velocity of 12CO after subtraction of an azimuthally symmetric model, which may be tracing planet-disc interactions with an embedded planet or low-mass companion. We identify three spirals, two in the brightness temperature and one in the velocity residuals, spanning a large azimuth and radial extent. The brightness temperature spirals are morphologically connected to spirals observed in NIR scattered light in the same disc, indicating a common origin. Together with the observed large dust and gas cavity, the spirals support the hypothesis of a massive embedded companion in the CQ Tau disc.

研究の動機と目的

• 高解像度ALMAデータを用いて、CQ Tauの移行的円盤におけるガス運動および構造的非均一性を調査すること。
• 観測されたケプラーロン回転からのずれが、惑星-円盤相互作用によるものか、あるいは他のメカニズムによるものかを特定すること。
• ガス円盤内の渦巻き構造の形態的特徴と空間的広がりを特徴づけ、それらをダストおよび散乱光特徴と関連付けること。
• 非ケプラーロン速度場および残差解析を通じて、潜在的な質量の大きな伴星の存在と位置を制約すること。
• ビーム拡散および影の効果が、円盤内の輝度低下を解釈する上での影響を評価すること。

提案手法

• CQ Tauに向けて12CO、13CO、C18O（J=2–1）線放出を空間的に解像したALMA観測を取得した。
• 各チャンネルマップから頑健なラインコアを抽出し、ガス円盤の3次元速度場を再構築した。
• 観測された速度場に複数のケプラーロン円盤モデルをフィットさせ、ケプラーロン回転からのずれを特定した。
• 方位的に対称なモデルをデータから差し引くことで、輝度温度および速度残差における非軸対称構造（例えば渦巻き）を分離した。
• ガスの渦巻き構造の形態を、既存の近赤外散乱光画像と比較し、共通の起源があるかを評価した。
• DALI流体ダイナミクスモデルの後処理を用いて、輝度低下がビーム拡散によるものか、物理的効果（例えば影）によるものかを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CQ Tau円盤における観測された非ケプラーロン速度特徴は、埋め込まれた質量の大きな惑星または伴星による摂動と整合的か？
• RQ2 ガス円盤内の渦巻き構造（12COの輝度温度および速度）は、近赤外散乱光で観測されたものと一致するか？ これは共通の起源を示唆するか？
• RQ3 渦巻き構造の径方向および方位的広がりはどの程度か？ また、惑星誘発渦巻き波のような動的起源を支持するか？
• RQ4 円盤における観測された輝度低下は、物理的温度や密度の変化ではなく、ビーム拡散によるものと説明できるか？
• RQ5 運動論的ずれおよび渦巻きの形態的特徴は、内側円盤内に存在する可能性のある伴星の位置と質量をどのように制約するか？

主な発見

• 12COおよび13COの速度場に顕著な非ケプラーロンずれが検出され、曲がりくねった等速度曲線が強く摂動を示唆している。
• 3つの明確な渦巻き構造が特定された：12CO輝度温度に2つ、速度残差に1つ、いずれも10–180 auにわたり、大きなピッチ角を示している。
• ガス円盤内の渦巻き構造は、既に観測済みの近赤外散乱光における渦巻きと形態的に関連しており、共通の動的起源を示唆している。
• 大きなダスト空洞（約50 au）とガス空洞（約20 au）の併存に加え、渦巻き構造の存在は、25 au以内に質量の大きな埋め込み伴星が存在するという仮説を支持する。
• 北西および南東領域の輝度低下は主にビーム拡散に起因するが、一部の影の効果は渦巻きまたは軸がずれた円盤領域に起因する可能性がある。
• 円盤の運動論的特徴はケプラーロン回転から顕著に逸脱しており、正確な記述には非ケプラーロンモデルが必要である。今後の制約には、さらに高解像度データと3次元モデリングが必要である。