[論文レビュー] CO Line Emission Surfaces and Vertical Structure in Mid-Inclination Protoplanetary Disks

Charles J. Law, Sage Crystian+19 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2022

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 133被引用数 57

ひとこと要約

本研究では、高分解能ALMAアーカイブデータを用いて、10個の中程度の傾きを示す原始惑星系円盤のCO線放出表面をマッピングし、垂直方向のガス温度構造と放出高さ（z/r ≈ 0.1–0.5）を明らかにした。これらはガス圧力スケール高さ（Hg）の2–5倍に相当し、垂直構造における顕著な多様性を確認した。放出高さは円盤のフラーリングと星の質量と関連しており、CO放出表面がHgの経験的トレーサーとして機能することを確立した。動的質量の補正に応用可能な可能性を示している。

ABSTRACT

High spatial resolution CO observations of mid-inclination (30-75{\deg}) protoplanetary disks offer an opportunity to study the vertical distribution of CO emission and temperature. The asymmetry of line emission relative to the disk major axis allows for a direct mapping of the emission height above the midplane, and for optically-thick, spatially-resolved emission in LTE, the intensity is a measure of the local gas temperature. Our analysis of ALMA archival data yields CO emission surfaces, dynamically-constrained stellar host masses, and disk atmosphere gas temperatures for the disks around: HD 142666, MY Lup, V4046 Sgr, HD 100546, GW Lup, WaOph 6, DoAr 25, Sz 91, CI Tau, and DM Tau. These sources span a wide range in stellar masses (0.50-2.10 M$_{\odot}$), ages (${\sim}$0.3-23 Myr), and CO gas radial emission extents (${\approx}$200-1000 au). This sample nearly triples the number of disks with mapped emission surfaces and confirms the wide diversity in line emitting heights ($z/r\approx0.1$ to ${\gtrsim}0.5$) hinted at in previous studies. We compute radial and vertical CO gas temperature distributions for each disk. A few disks show local temperature dips or enhancements, some of which correspond to dust substructures or the proposed locations of embedded planets. Several emission surfaces also show vertical substructures, which all align with rings and gaps in the millimeter dust. Combining our sample with literature sources, we find that CO line emitting heights weakly decline with stellar mass and gas temperature, which, despite large scatter, is consistent with simple scaling relations. We also observe a correlation between CO emission height and disk size, which is due to the flared structure of disks. Overall, CO emission surfaces trace ${\approx}2$-$5 imes$ gas pressure scale heights (H$_{ m{g}}$) and could potentially be calibrated as empirical tracers of H$_{ m{g}}$.

研究の動機と目的

• 高空間分解能ALMAデータを用いて、中程度の傾きを示す原始惑星系円盤におけるCO放出の三次元的垂直分布をマッピングすること。
• 局所熱力学的平衡（LTE）を仮定して、CO線強度から半径方向および垂直方向のガス温度プロファイルを導出すること。
• CO線放出高さ（z/r）と星の質量、円盤サイズ、ガス圧力スケール高さ（Hg）などの物理的円盤特性との関係を特定すること。
• CO放出表面が原始惑星系円盤におけるガス圧力スケール高さ（Hg）の経験的トレーサーとして機能可能かどうかを評価すること。
• CO放出構造とミリ波長帯のダスト部分構造（リングおよびギャップ）との相関関係を調査すること。

提案手法

• 10個の円盤のための高角分解能・高感度のALMAアーカイブデータを用い、ラインおよび連続スペクトル画像立方体を生成した。
• 位置-速度データからCO線放出表面を抽出するために、disksurfアルゴリズムを適用し、半径（r）の関数として放出高さ（z）を測定した。
• LTE仮定の下で、ライン＋連続スペクトル立方体を用いて半径方向および2次元温度プロファイルを計算し、輝度温度を局所ガス温度の代理として用いた。
• 半径カットオフ（rcutoff = 0.8×rtaper）内での中央値として特徴的なz/rを定義し、折り返しや感度が低い領域を除外した。
• 放出表面の形状をミリ波帯のダスト連続スペクトル構造と比較し、リングおよびギャップと一致するかを同定した。
• 文献情報（n=15）と組み合わせて、星の質量、円盤サイズ、温度とのz/rの傾向を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中程度の傾きを示す原始惑星系円盤におけるCO放出の垂直分布はどのようなもので、異なる系間でどのように変化するか？
• RQ2 CO線放出表面はガス圧力スケール高さ（Hg）とどのように関連しており、Hgの経験的トレーサーとして補正可能か？
• RQ3 CO放出高さ（z/r）と円盤のフラーリング、星の質量、またはガス温度との間に相関があるか？
• RQ4 CO放出における垂直方向の部分構造は、ミリ波帯のダストリングおよびギャップと一致するか？
• RQ5 CO放出表面は、動的質量推定や惑星-円盤相互作用の診断にどのような知見を提供するか？

主な発見

• CO放出表面がマッピングされた原始惑星系円盤の数が、本研究の10個のサンプルでほぼ3倍に増加し、z/rが約0.1から＞0.5の広範な多様性が明らかになった。
• CO放出表面はガス圧力スケール高さ（Hg）のおよそ2–5倍をトレースしており、円盤構造モデリングにおけるHgの経験的プロキシとしての利用を支持する。
• 星の質量とz/rの間には弱いが有意な逆相関が観測され、低質量星ではより垂直方向に広がった放出が見られ、理論的スケーリング関係と整合的である。
• CO放出高さと円盤サイズとの相関が確認され、フラーリング幾何学的形状に起因しており、より大きな円盤では半径が大きい位置で高い放出表面を示した。
• いくつかの円盤でCO放出における垂直部分構造が観測され、ミリ波帯のダストリングおよびギャップと空間的に一致しており、ガスとダストの構造に関連がある可能性を示唆している。
• 少数の円盤で局所的な温度低下または上昇が検出され、その一部はダスト部分構造や惑星の位置と一致しており、惑星誘発パフォーレーションとの潜在的関連性を示唆している。