[論文レビュー] Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS) VIII: CO Gap in AS 209--Gas Depletion or Chemical Processing?

Felipe Alarcón, Arthur D. Bosman+23 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 104被引用数 35

ひとこと要約

本研究は、高分解能ALMAデータと熱力学的化学モデルを用いて、原始惑星系円盤AS 209における88 au付近のCO放射ギャップの起源を調査する。化学的処理、特に凍結や光脱着による局所的CO欠乏が、惑星に起因するガスギャップに比べて観測されたCO柱密度の低下をよりよく説明することを発見した。後者は、Dustと運動学的制約に整合しない不自然に巨大な惑星（>0.2 M$_{\rm Jup}$）を必要とするためである。

ABSTRACT

Emission substructures in gas and dust are common in protoplanetary disks. Such substructures can be linked to planet formation or planets themselves. We explore the observed gas substructures in AS 209 using thermochemical modeling with RAC2D and high-spatial resolution data from the Molecules with ALMA at Planet-forming Scales(MAPS) program. The observations of C$^{18}$O J=2-1 emission exhibit a strong depression at 88 au overlapping with the positions of multiple gaps in millimeter dust continuum emission. We find that the observed CO column density is consistent with either gas surface-density perturbations or chemical processing, while C$_2$H column density traces changes in the C/O ratio rather than the H$_2$ gas surface density. However, the presence of a massive planet (> 0.2 M$_{Jup}$) would be required to account for this level of gas depression, which conflicts with constraints set by the dust emission and the pressure profile measured by gas kinematics. Based on our models, we infer that a local decrease of CO abundance is required to explain the observed structure in CO, dominating over a possible gap-carving planet present and its effect on the H$_2$ surface density. This paper is part of the MAPS special issue of the Astrophysical Journal Supplement Series.

研究の動機と目的

• AS 209における観測されたCO放射ギャップが、惑星に起因するガス欠乏によるものか、あるいは局所的化学的処理によるものかを特定すること。
• サブ構造を形成するCO濃度変動とH2表面密度の摂動の間のデゲネラシーを検証すること。
• C2H放射が、アクティブな化学反応のトレーサーとして機能するか、および物理的要因と化学的要因の両方がサブ構造を形成する場合に区別可能かを評価すること。
• Dust連続スペクトルギャップとガス運動学的制約と整合するかを検証し、巨大惑星シナリオ（>0.2 M$_{\rm Jup}$）の妥当性を評価すること。
• RAC2Dを用いて、異なる物理的仮定のもとでCOおよびC2Hの柱密度プロファイルを比較するため、ディスクの熱的および化学的構造をモデリングすること。

提案手法

• MAPSプログラムによる、C18O J=2–1およびC2H線の高空間分解能ALMA観測（解像度約0.′′15）を用いた。
• RAC2Dを用いて、CO欠乏（モデルA）とCO濃度一定のガスギャップ（モデルB）の2つのシナリオの下で、ディスク化学および熱的構造をシミュレートした熱力学的化学モデルを適用した。
• 観測されたCO柱密度に一致するモデルを構築し、予測されたC2H柱密度、放射高度、および運動学的ずれを比較した。
• 小粒子の欠乏要因（10%、1%、0.1%）を変化させ、COおよびC2H濃度プロファイルに与える影響を評価した。
• ガス運動学的のケプラー補正を分析し、H2表面密度摂動を制約した。
• Teagueら（2018年）およびLawら（2021b年）の放射層高度を用いて、モデルの運動学的および放射幾何学的特性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AS 209における88 au付近のCO放射ギャップは、惑星誘発ガスギャップによるものか、あるいは局所的化学的処理によるものか、どちらがより適切な説明か？
• RQ2 観測されたCO柱密度低下を再現するには、CO濃度のどの程度の欠乏が必要か？
• RQ3 C2H放射は、低ガス密度領域や高いC/O比領域において、アクティブな化学反応の診断に有効か？
• RQ4 COギャップを説明するために、巨大惑星（>0.2 M$_{\rm Jup}$）が必要であり、かつDustと運動学的制約と整合するか？
• RQ5 COおよびC2Hの垂直濃度分布の違いが、CO同位体の径方向放射プロファイルにどのように影響を与えるか？

主な発見

• AS 209における観測されたCO柱密度低下は、局所的なCO濃度低下と整合的であり、滑らかな表面密度プロファイルと比較して、少なくとも47%の欠乏が必要である。
• COギャップをガス欠乏によって説明するには、巨大惑星（>0.2 M$_{\rm Jup}$）が必要であるが、このような惑星はDust連続スペクトルギャップおよび運動学的制約と整合しない。
• C2H柱密度はH2表面密度ではなくC/O比の変化をトレースしており、C2H放射がガス密度よりも化学的状態に敏感であることを示している。
• モデルA（CO欠乏）では、COの垂直分布が均一であるのに対し、モデルB（ガスギャップ）では非均一であるため、CO同位体の放射プロファイルに観測可能な差が生じる可能性がある。
• 小粒子欠乏領域では、C2Hが中間面付近で生成されやすく、モデルBでは紫外線の浸透が深く、気相反応が減少するため、低高度でC2H濃度が高くなる。
• ケプラー補正の分析から、内側100 auではわずか1%のずれしか認められず、59 auで強いH2欠乏は排除され、巨大惑星がCOギャップの原因である可能性は低いとされる。