[論文レビュー] Direct mapping of the temperature and velocity gradients in discs. Imaging the vertical CO snow line around IM Lupi

C. Pinte, F. Ménard+15 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 60被引用数 46

ひとこと要約

本論文は、CO同素体の高分解能ALMA観測を用いて、原始惑星系円盤内の温度勾配と速度勾配をモデルに依存しない方法で直接マッピングする手法を提示する。IM Lupiに適用した結果、150–300 auの範囲で、約1つのガススケール高さの垂直方向にCOの凍結線が位置しており、凍結温度は21±2 Kであることが判明した。また、外側円盤ではサブ・ケプラー運動が検出され、これがダスト粒子の内向き移動を駆動する可能性があり、光分解蒸発風の始まりを示唆している。

ABSTRACT

Accurate measurements of the physical structure of protoplanetary discs are critical inputs for planet formation models. These constraints are traditionally established via complex modelling of continuum and line observations. Instead, we present an empirical framework to locate the CO isotopologue emitting surfaces from high spectral and spatial resolution ALMA observations. We apply this framework to the disc surrounding IM Lupi, where we report the first direct, i.e. model independent, measurements of the radial and vertical gradients of temperature and velocity in a protoplanetary disc. The measured disc structure is consistent with an irradiated self-similar disc structure, where the temperature increases and the velocity decreases towards the disc surface. We also directly map the vertical CO snow line, which is located at about one gas scale height at radii between 150 and 300 au, with a CO freeze-out temperature of $21\pm2$ K. In the outer disc ($> 300$ au), where the gas surface density transitions from a power law to an exponential taper, the velocity rotation field becomes significantly sub-Keplerian, in agreement with the expected steeper pressure gradient. The sub-Keplerian velocities should result in a very efficient inward migration of large dust grains, explaining the lack of millimetre continuum emission outside of 300 au. The sub-Keplerian motions may also be the signature of the base of an externally irradiated photo-evaporative wind. In the same outer region, the measured CO temperature above the snow line decreases to $\approx$ 15 K because of the reduced gas density, which can result in a lower CO freeze-out temperature, photo-desorption, or deviations from local thermodynamic equilibrium.

研究の動機と目的

• 原始惑星系円盤内のCO放射層の温度、速度、高さをモデルに依存せずに測定するための手法を開発すること。
• 複雑な放射線輸送や化学モデルに依存せずに、円盤の垂直的熱的および運動的構造を直接制約すること。
• ALMAデータからの実証的制約を用いて、IM Lupiの周囲の円盤におけるCO凍結線の位置を特定すること。
• サブ・ケプラー運動と温度勾配がダストの進化および円盤構造に与える影響を調査すること。
• 外部放射と密度効果が低密度外側円盤領域におけるCO凍結と放射に与える影響を評価すること。

提案手法

• 12CO、13CO、C18O（2-1）遷移の高スペクトルおよび高空間分解能ALMA観測を用いて、チャンネルごとの放射をマッピングする。
• チャンネルマップの幾何的解析を用いて、非対称性とビームフィルティング効果に基づき、CO放射層の高さを直接測定する。
• 局所熱力学的平衡を仮定して、光学的に厚い（12CO）と薄い（13CO、C18O）遷移の輝度温度を比較することで温度を決定する。
• チャンネルマップにおけるドップラーシフトから速度構造を推定し、ケプラー回転からのずれを特定する。
• ビームの分解と空間フィルタリングを適用して、特定の層からの放射を分離し、ビームスメアリング効果を回避する。
• MCFOSTモデル予測と観測された輝度温度を比較することで、温度測定の妥当性を検証する（T_ex = T_kin を仮定）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IM Lupiの円盤におけるCO凍結線はどの位置にあり、半径に応じてどのように変化するか？
• RQ2 円盤内の垂直温度勾配は何か？また、半径に応じてどのように変化するか？
• RQ3 外側円盤におけるガス速度はサブ・ケプラー的であるか？これはダストダイナミクスにどのような意味を持つか？
• RQ4 ガス密度の変化および外部放射が外側円盤におけるCO凍結と放射に与える影響は何か？
• RQ5 放射線輸送や化学モデルに依存せずに、ALMAデータからCO放射層を直接マッピングできるか？

主な発見

• CO凍結線は、150–300 auの範囲で、中間面からの約1つのガススケール高さの垂直位置に直接マッピングされ、CO凍結温度は21±2 Kである。
• 円盤は、外側に向かって温度が上昇し、表面に向かって速度が減少する傾向を示しており、外部放射を受ける自己相似円盤モデルと整合的である。
• 外側円盤（>300 au）では、ガス速度が顕著にサブ・ケプラー的となり、急激な圧力勾配が大粒ダストの効率的な内向き移動を駆動している可能性がある。
• 400 auでは、ガス密度の低下により、凍結線上のCO温度が約15 Kに低下しており、これは低温凍結、光脱着、または局所熱力学的平衡からの逸脱による可能性がある。
• 300 auを超えてミリ波連続放射が観測されないことは、サブ・ケプラー的ガス運動によって引き起こされる強力なダスト内向き移動と整合的である。
• サブ・ケプラー的速度場は、外側円盤における外部放射による光分解蒸発風の基部を示している可能性もある。