[論文レビュー] Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS). XV. Tracing protoplanetary disk structure within 20 au

Arthur D. Bosman, Edwin A. Bergin+26 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 102被引用数 39

ひとこと要約

本研究では、MAPSプログラムの高分解能ALMA観測を用い、CO同素体線の両翼を用いて、原始惑星系円盤の内側20 auにおけるガスおよびダストの構造を追跡した。ケプラーラン運動を活用することで、約3 auの有効分解能を達成した。IM LupおよびGM Aurでは、ガス対ダスト比が10未塔であるダストの堆積が確認され、効率的な粒子拡散およびストリーミング不安定性の可能性を示唆した。一方、径方向表面輝度プロファイルは、AS 209およびHD 163296において、ダスト構造と相関するガスに富んだギャップおよび低ガス環を示した。

ABSTRACT

Constraining the distribution of gas and dust in the inner 20 au of protoplanetary disks is difficult. At the same time, this region is thought to be responsible for most planet formation, especially around the water ice line at 3-10 au. Under the assumption that the gas is in a Keplerian disk, we use the exquisite sensitivity of the Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS) ALMA large program to construct radial surface brightness profiles with a ~3 au effective resolution for the CO isotopologue J=2-1 lines using the line velocity profile. IM Lup reveals a central depression in 13CO and C18O that is ascribed to a pileup of ~500 $M_\oplus$ of dust in the inner 20 au, leading to a gas-to-dust ratio of around <10. This pileup is consistent with efficient drift of grains ($\gtrsim$ 100 $M_\oplus$ Myr$^{-1}$) and a local gas-to-dust ratio that suggests that the streaming instability could be active. The CO isotopologue emission in the GM Aur disk is consistent with a small (~15 au), strongly depleted gas cavity within the ~40 au dust cavity. The radial surface brightness profiles for both the AS 209 and HD 163296 disks show a local minimum and maximum in the C18O emission at the location of a known dust ring (~14 au) and gap (~10 au), respectively. This indicates that the dust ring has a low gas-to-dust ratio ($>$ 10) and that the dust gap is gas-rich enough to have optically thick C18O.

研究の動機と目的

• 原始惑星系円盤の内側20 auにおけるガスおよびダストの径方向分布をマッピングすること。この領域は惑星形成に重要なが、観測的に困難である。
• 標準的な画像化法の分解能および感度の限界を克服するため、高分解能スペクトル線運動論を用いて表面輝度プロファイルを推定すること。
• CO同素体線放出プロファイルの分析を通じて、内側ディスクにおけるガス対ダスト比および径方向拡散効率を特定すること。
• 複数のディスクにおいて、ダスト構造（リングおよびギャップ）とその下伏するガスの形態の関係を調査すること。
• 高ダスト濃度および低ガス対ダスト比の領域におけるストリーミング不安定性およびペブル降着の可能性を評価すること。

提案手法

• MAPS大規模プログラムの高スペクトル分解能（R > 10^6）ALMAデータを用い、CO同素体（13CO J=2–1、C18O J=2–1）の線プロファイルを抽出した。
• ケプラーラン回転モデルを適用し、視線方向の速度構造を径方向表面輝度プロファイルに分解した。
• CO線プロファイルの両翼を分析することで、有効分解能約3 auの径方向表面輝度プロファイルを構築した。
• ALMA画像による既知のダスト連続スペクトル構造と、観測されたCO放出特徴（ピーク、谷、穴）を比較した。
• 13COおよびC18O放出の中心部の低下をダストの堆積としてモデル化することで、ダスト質量およびガス対ダスト比を推定した。
• 運動論的モデリングを用いて、径方向拡散速度を推定し、ストリーミング不安定性に有利な条件（例えば、低ガス対ダスト比、高ダスト質量）を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原始惑星系円盤の内側20 auにおけるガスおよびダストの径方向分布は何か。また、惑星形成領域とどのように関係しているか。
• RQ2 CO同素体線の両翼は、標準的なCLEAN処理では解像できない構造（ギャップ、リング、空洞）を明らかにできるか。
• RQ3 内側ディスクにおけるガス対ダスト比は何か。また、ストリーミング不安定性の働きを支持するか。
• RQ4 AS 209およびHD 163296のようなディスクにおいて、ダスト構造（例えばリングおよびギャップ）と下伏するガス分布の相関は何か。
• RQ5 IM LupおよびGM AurにおけるCO放出の中心部の低下は、何が原因で生じており、ダスト進化にどのような含意を持つのか。

主な発見

• CO同素体線両翼からの導出された径方向表面輝度プロファイルは、複数のディスクにおいて、従来解像できなかったギャップ、ピーク、および中心部の低下といったガス放出の特徴を明らかにした。
• IM Lupでは、20–30 auで13COおよびC18O放出に中心部の低下が見られ、20 au以内に約500 M⊕のダストの堆積が生じており、ガス対ダスト比が10未塔であると示唆され、径方向拡散速度が100 M⊕ Myr⁻¹を超えることが示された。
• GM Aurでは、12CO、13CO、C18O放出に中心部の空洞が見られ、既知のダスト空洞内にガス空洞が存在することを支持しており、15 au以内では12COが依然として光学的に薄い状態であることが示された。
• AS 209およびHD 163296では、内側のダストリングがC18O表面輝度の低下と相関しており、リング内側のギャップではC18O放出が増幅していることから、リング部ではガス対ダスト比が低く、ギャップ部ではガスが光学的に厚いことが示された。
• MWC 480のCO同素体線放出では、10 auで13COおよびC18O表面輝度に強く説明のつかない変動が観測され、まだ解明されていない複雑な局所構造を示唆した。
• 13COおよびC18OのJ=1–0およびJ=2–1線は、両翼放出が一貫しており、低周波数線が高周波数線よりもディスク中面に深くまで到達しないことを示した。