[論文レビュー] Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS) XIX. Spiral Arms, a Tail, and Diffuse Structures Traced by CO around the GM Aur Disk

Jane Huang, Edwin A. Bergin+29 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 174被引用数 65

ひとこと要約

本研究では、GM Aur原始惑星系円盤周辺の高解像度ALMA観測により、12CO J=2−1線放出を明らかにした。その結果、1200 auまで延びるフラーリングスパイラルアーム、西南方向に1800 auまで伸びるテール、および北側に1900 auまで広がる散乱構造が検出された。これらは軸対称的なミリ波長連続スペクトルリングとは対照的であり、外部の環境や雲塊物質の遅い降着が継続的に行われている可能性を示唆する。これは、孤立的かつ軸対称的な円盤進化の仮定を揺るがし、GM Aurの形態が、SU Aur や AB Aur と同様に他のタウラス星形成領域の円盤で観測される環境的相互作用と関連している可能性を示している。

ABSTRACT

The concentric gaps and rings commonly observed in protoplanetary disks in millimeter continuum emission have lent the impression that planet formation generally proceeds within orderly, isolated systems. While deep observations of spatially resolved molecular emission have been comparatively limited, they are increasingly suggesting that some disks interact with their surroundings while planet formation is underway. We present an analysis of complex features identified around GM Aur in $^{12}$CO $J=2-1$ images at a spatial resolution of $\sim40$ au. In addition to a Keplerian disk extending to a radius of $\sim550$ au, the CO emission traces flocculent spiral arms out to radii of $\sim$1200 au, a tail extending $\sim1800$ au southwest of GM Aur, and diffuse structures extending from the north side of the disk up to radii of $\sim1900$ au. The diffuse structures coincide with a "dust ribbon" previously identified in scattered light. The large-scale asymmetric gas features present a striking contrast with the mostly axisymmetric, multi-ringed millimeter continuum tracing the pebble disk. We hypothesize that GM Aur's complex gas structures result from late infall of remnant envelope or cloud material onto the disk. The morphological similarities to the SU Aur and AB Aur systems, which are also located in the L1517 cloud, provide additional support to a scenario in which interactions with the environment are playing a role in regulating the distribution and transport of material in all three of these Class II disk systems. This paper is part of the MAPS special issue of the Astrophysical Journal Supplement.

研究の動機と目的

• GM Aur原始惑星系円盤周囲におけるCOガス放出の形態と運動学を高空間分解能で調査し、非軸対称構造を特定すること。
• スパイラルアーム、テール、および拡散的北側構造といった観測された大規模ガス構造が、円盤進化モデルと外部環境相互作用のどちらと整合するかを特定すること。
• 非軸対称的なCOガス構造と、軸対称的なミリ波長連続スペクトルの子構造との対比を通し、ガスとチリの形態の不一致を強調すること。
• L1517星域の類似系（SU Aur や AB Aur など）と比較することで、これらの複雑な構造の起源を探索し、外部からの降着がクラスII円盤の進化に果たす役割を評価すること。

提案手法

• ALMAのMAPS大規模計画において、高感度・高角分解能（約40 au）の12CO J=2−1データを取得した。
• 星質量 M*=1.1 M⊙、ガス圧勾配、および温度プロファイル T(r) ∝ r−0.608 を用いた静水的円盤モデルを用いて、ケプラー回転円盤の等速度線を構築した。
• Pythonパッケージ（gofish および keplerian_mask）を用いたケプラー遮断マスクを適用し、回転円盤からの発光を分離することで、非ケプラー的特徴の分離を可能にした。
• 微弱な発光の可視化を向上させるために、arcsinhカラーストレッチと5–35σの等値線オーバーレイをチャネルマップに適用した。
• ガス密度と圧力スケール高さを、表面密度プロファイル Σg(r) ∝ r−1 exp(−r/176 au) および H(r) ∝ r1.35 を用いてモデル化した。
• 視線速度 vlos = vsys + vϕ cosϕ sin i を計算し、i=53.21° および vsys=5.61 km s−1 を用い、画素位置を円盤座標にマッピングした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1200 auまで延びる非軸対称的ガス構造は、GM AurのCO放出においてどの程度顕在化しているか？
• RQ2 COガス構造の運動学的・形態的特徴は、円盤のケプラー回転と軸対称的チリ連続スペクトルリングとどのように対比されるか？
• RQ3 観測されたスパイラルアーム、テール、および拡散的北側構造の起源は何か？
• RQ4 これらの特徴が、残存した円盤包層や雲塊物質の継続的降着を示唆する程度はどの程度か？
• RQ5 SU Aur や AB Aur との形態的類似性は、L1517星域における円盤進化に環境的影響が関与しているという仮説をどの程度支持するか？

主な発見

• 12CO J=2−1放出は、半径約1200 auまで延びるフラーリングスパイラルアームを明らかにし、非ケプラー的ガス運動を示唆している。
• GM Aurの西南方向に約1800 auまで延びる明確なテールが検出され、主な円盤とは位置および速度でずれており、動的起源を示唆している。
• 北側の円盤で、半径約1900 auまで拡散的で広がった構造が検出され、散乱光で既に同定済みのチリリボンと一致している。
• 大規模ガス構造は形態的に非軸対称的であり、ケプラー回転円盤（半径約550 auまで）とは運動学的にも明確に異なる。
• CO発光の形態は、軸対称的かつ多重リング構造を示すミリ波長連続スペクトルと著しく対照的であり、ガスとチリの子構造の分離が示唆されている。
• SU Aur や AB Aur との形態的類似性は、外部からの降着がクラスII円盤におけるガス分布と輸送を形作る役割を果たしている可能性を支持する。