[論文レビュー] Carbon depletion observed inside T Tauri inner rims: Formation of icy, kilometer size planetesimals by 1 Myr

M. K. McClure|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Oct 14, 2019

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 59被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、近赤外分光法と光電離モデルを用いて、26個のTタウリ星の内側円盤における炭素の含有量を測定し、3つの系で最大42倍の炭素欠乏が確認された。結果は、揮発性炭素がCO雪線を超えて1 Myr以内に形成されたキロメーター級の icy な小惑星に閉じ込められていることを示唆しており、これは径方向の移動と効率的な粒子成長と整合的である。

ABSTRACT

The carbon content of protoplanetary disks is an important parameter to characterize planets formed at different disk radii. There is some evidence from far-infrared and submillimeter observations that gas in the outer disk is depleted in carbon, with a corresponding enhancement of carbon-rich ices at the disk midplane. Observations of the carbon content inside of the inner sublimation rim could confirm how much carbon remains locked in kilometer size bodies in the disk. Using near-infrared spectra, I self-consistently determine the stellar, extinction, veiling, and accretion properties of the 26 stars in my sample. From these values, I extract the inner disk excess of the target stars and identify a series of C^0 recombination lines in 18 of these disks and use the CHIANTI atomic line database with an optically thin slab model to constrain the average n_e, T_e, and n_C for these lines in the five disks with a complete set of lines. By comparing these values with other slab models of the inner disk using the Cloudy photoionization code, I also constrain n_H and the carbon abundance, X_C, and hence the amount of carbon `missing' from the slab. The inner disks are extremely dense (n_H~10^{16} cm^{-3}), warm (T_e~4500 K), and moderately ionized (logX_e~3.3). Three of the five modeled disks show robust carbon depletion <=42 relative to the solar value. I discuss multiple ways in which the `missing' carbon could be locked out of the accreting gas. Given the high-density inner disk gas, evidence for radial drift, and lack of obvious gaps in these three systems, their carbon depletion is most consistent with the `missing' carbon being sequestered in kilometer size bodies. For DR Tau, nitrogen and silicon are also depleted by factors of 45 and 4, respectively, suggesting that the kilometer size bodies into which the grains are locked were formed beyond the N_2 snowline.

研究の動機と目的

• Tタウリ星の内側円盤ガスにおける炭素含有量を特定すること、特にダストの蒸発境界内において、ガスが光学的に薄いと予想される領域を対象とする。
• 原始惑星円盤内での揮発性炭素の行方を解明するため、太陽と比較したガス相炭素の欠乏度を測定すること。
• 内側円盤における炭素欠乏が、特にキロメーター級の小惑星への閉じ込めに起因しているかどうかを検証すること。
• 径方向の移動と粒子成長が、CO雪線を超えて炭素を固体に閉じ込める役割を果たすかを検討すること。
• 降着流における元素含有量（C、Si、N）を制約し、形成中の小惑星の組成を推定すること。

提案手法

• GAIA DR2の距離を用いて、26個のTタウリ星の高分解能近赤外（0.8–2.5 μm）スペクトルを取得し、星の性質、減光、ヴェーリング、降着特性を導出する。
• 非降着Tタウリ星のスペクトルテンプレートを観測スペクトルから差し引くことで、内側円盤の過剰放射を抽出する。
• 18個の円盤でC ii再結合線を特定し、CHIANTI原子線データベースと光学的に薄い平板モデルを用いて、電子密度（ne）、電子温度（Te）、炭素数密度（nC）を制約する。
• Cloudy光電離コードを用いて内側円盤平板をモデル化し、水素密度（nH）、電子分率（Xe）、炭素含有量（XC）を導出し、炭素欠乏度を定量化する。
• DR Tauに対して、文献値に基づく降着流におけるSiおよびNの相対含有量を用いて、元素の欠乏度を推定する。
• 干渉計およびSEDモデリングのデータから得たH β、CO、ダストの蒸発半径を用いて、C ii線放出の径方向拡がりを評価し、炭素含有量に対する保守的な上限を設定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Tタウリ星の内側円盤ガスにおいて、太陽と比較して炭素がどの程度欠乏しているか？
• RQ2 観測された内側円盤ガスにおける炭素欠乏を説明する物理的過程は何か？
• RQ3 不足している炭素は、径方向の移動と粒子成長によって形成されたキロメーター級の icy な小惑星に閉じ込められていると整合的か？
• RQ4 降着流におけるケイ酸塩と窒素の欠乏度は、N₂雪線を超えて形成された小惑星と整合的か？
• RQ5 平板の幾何学的形状とイオン化構造の不確実性が、推定された炭素含有量に与える影響は何か？

主な発見

• モデル化された内側円盤は非常に高密度（nH ~ 10¹⁶ cm⁻³）、高温（Te ~ 4,500 K）、ややイオン化されている（log Xe ~ 3.3）。
• モデル化された5つの円盤のうち3つで炭素欠乏が強く確認され、ガス相炭素含有量は太陽と比較して最大42倍まで低下している。
• 観測された炭素欠乏は、主に径方向の移動と粒子成長によって形成されたキロメーター級の小惑星に炭素が閉じ込められていることと最も整合的である。
• DR Tauでは、窒素とケイ酸塩の両方がそれぞれ45倍および4倍の欠乏度を示しており、N₂雪線を超えて形成された小惑星と整合的である。
• 内側円盤ガスの高密度、高温、およびイオン化状態は、C ii線解析に光学的に薄い平板モデルを適用する妥当性を支持している。
• 本研究は、内側円盤における炭素欠乏が、1 Myr以内に発生する初期の小惑星形成および揮発性物質の閉じ込めを示すトレーサーとして利用可能であることを示した。