[論文レビュー] Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS) XVII: Determining the 2D Thermal Structure of the HD 163296 Disk

Jenny K. Calahan, Edwin A. Bergin+27 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 131被引用数 37

ひとこと要約

本研究は、CO同位体体（12CO J=2-1、13CO J=1-0/2-1、C18O J=1-0/2-1、C17O J=1-0）の空間分解能のあるALMA観測およびHD J=1-0のフラックス上限値を用いて、Herbig Ae星HD 163296周囲の原始惑星系円盤の2次元熱構造を特定した。熱化学コードRAC2Dを用いたモデルは、半径方向のCO脱結合（時定数～0.01 Myr）と表面層温度の上昇（z/r ≥ 0.21）を組み込み、円盤質量の上限を0.35 M⊙とし、ギャップがガス温度をわずか5–10%しか上昇させないことを示した。

ABSTRACT

Understanding the temperature structure of protoplanetary disks is key to interpreting observations, predicting the physical and chemical evolution of the disk, and modeling planet formation processes. In this study, we constrain the two-dimensional thermal structure of the disk around Herbig Ae star HD 163296. Using the thermo-chemical code RAC2D, we derive a thermal structure that reproduces spatially resolved ALMA observations (~0.12 arcsec (13 au) - 0.25 arcsec (26 au)) of CO J = 2-1, 13CO J = 1-0, 2-1, C18O J = 1-0, 2-1, and C17O J = 1-0, the HD J = 1-0 flux upper limit, the spectral energy distribution (SED), and continuum morphology. The final model incorporates both a radial depletion of CO motivated by a time scale shorter than typical CO gas-phase chemistry (0.01 Myr) and an enhanced temperature near the surface layer of the the inner disk (z/r <= 0.21). This model agrees with the majority of the empirically derived temperatures and observed emitting surfaces derived from the J = 2-1 CO observations. We find an upper limit for the disk mass of 0.35 Msun, using the upper limit of the HD J = 1-0 and J = 2-1 flux. With our final thermal structure, we explore the impact that gaps have on the temperature structure constrained by observations of the resolved gaps. Adding a large gap in the gas and small dust additionally increases gas temperature in the gap by only 5-10%. This paper is part of the MAPS special issue of the Astrophysical Journal Supplement.

研究の動機と目的

• 高分解能ALMA観測を用いて、HD 163296原始惑星系円盤の2次元熱構造を制約すること。
• 非理想な物理的過程（CO脱結合や局所的加熱）を組み込むことで、観測されたCO線幅スペクトルと従来のモデルとの乖離を解消すること。
• 空間分解能のあるCO線放出、連続スペクトル密度分布（SED）、およびHDフラックス上限値を再現する自己備わった熱モデルを導出すること。
• ギャップ（10、48、86 au付近）がガス温度分布に与える影響、特に熱構造に与える影響を評価すること。
• HD J=1-0フラックス上限値と導出された熱構造を用いて、円盤質量の堅牢な上限値を導出すること。

提案手法

• 2次元熱構造をモデル化するため、熱化学コードRAC2Dを用い、温度および分子濃度プロファイルを解いた。
• 12CO J=2-1、13CO J=1-0/2-1、C18O J=1-0/2-1、C17O J=1-0の空間分解能のあるALMA観測を主な制約条件として用いた。
• ALMAによるHD J=1-0フラックス上限値を用いて、円盤表面層の温かい分子ガス質量および温度を制約した。
• 観測されたスペクトルエネルギー分布（SED）およびミリ波帯連続スペクトルの形態をフィットさせ、ダストおよびガス質量の制約を固定した。
• CO脱結合時定数、表面加熱、ガス質量、ダスト質量、表面密度指数、フラーリング、外縁半径などのモデルパラメータを体系的に変化させ、最良の適合構成を見出した。
• 全CO同位体体の観測された半径方向発光プロファイルと比較して、最終モデルの妥当性を検証し、複数の診断法との整合性を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多線路・空間分解能のあるALMA観測によって制約された、HD 163296円盤の2次元（半径方向および垂直方向）熱構造は何か？
• RQ2 CO脱結合（時定数～0.01 Myr）および表面層加熱（z/r ≥ 0.21）は、観測されたCO線強度への適合にどのように影響するか？
• RQ3 HD J=1-0フラックス上限値と熱構造を用いて導出された円盤質量の上限は何か？
• RQ4 ギャップ（10、48、86 au付近）の存在が、特にギャップ領域における局所的ガス温度にどのように影響するか？
• RQ5 ガス質量、ダスト質量、外縁半径、表面密度指数などの円盤パラメータの変動が、観測された線幅プロファイルを再現するモデルの能力に与える影響は何か？

主な発見

• 最良適合モデルは、半径方向CO脱結合時定数0.01 Myrと表面層加熱（z/r ≥ 0.21）を組み込み、観測されたCO線強度および発光表面積との一致を顕著に改善した。
• モデルは、50–350 auの範囲で12CO J=2-1、13CO J=1-0/2-1、C18O J=1-0/2-1、C17O J=1-0の観測された半径方向発光プロファイルを高い精度で再現した。
• HD J=1-0フラックス上限値と熱構造に基づき、円盤質量の上限は0.35 M⊙と導出された。
• ガスおよび微小ダストに大きなギャップを追加しても、ギャップ領域のガス温度はわずか5–10%しか上昇せず、ギャップによる熱的摂動は最小限であることが示された。
• モデルが予測する温度構造は、300 au以降でProDiMoモデルよりも冷たく、特に外縁円盤で、観測された12CO J=2-1発光プロファイルとよりよく一致した。
• ProDiMoモデルとの乖離は、ガス質量（本研究では0.14 M⊙、ProDiMoでは0.58 M⊙）、ダスト対ガス比、および内縁部加熱の仮定の違いに起因するとされた。