[論文レビュー] Molecules with ALMA at Planet-forming Scales. XX. The Massive Disk Around GM Aurigae

Kamber R. Schwarz, Jenny K. Calahan+26 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 101被引用数 45

ひとこと要約

本研究では、GM Aurigae周囲の質量の大きな原始惑星系円盤のガスおよびダスト構造をモデル化するために、高分解能のALMAおよびHerschel観測を用いる。全ガス質量は約0.2 M⊙であると導出され、100 auを超える領域でCOの著しい欠乏が明らかになった。また、全体としての円盤の安定性にもかかわらず、70–100 au付近で重力不安定性が認められ、円盤の進化および惑星形成プロセスに関する知見が得られた。

ABSTRACT

Gas mass remains one of the most difficult protoplanetary disk properties to constrain. With much of the protoplanetary disk too cold for the main gas constituent, H2, to emit, alternative tracers such as dust, CO, or the H2 isotopolog HD are used. However, relying on disk mass measurements from any single tracer requires assumptions about the tracer's abundance relative to \hh\ and the disk temperature structure. Using new Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) observations from the Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS) ALMA Large Program as well as archival ALMA observations, we construct a disk physical/chemical model of the protoplanetary disk GM Aur. Our model is in good agreement with the spatially resolved CO isotopolog emission from eleven rotational transitions with spatial resolution ranging from 0.15'' to 0.46'' (24-73 au at 159 pc) and the spatially unresolved HD J=1-0 detection from Herschel. Our best-fit model favors a cold protoplanetary disk with a total gas mass of approximately 0.2 solar masses, a factor of 10 reduction in CO gas inside roughly 100 au and a factor of 100 reduction outside of 100 au. Despite its large mass, the disk appears to be on the whole gravitationally stable based on the derived Toomre Q parameter. However, the region between 70 and 100 au, corresponding to one of the millimeter dust rings, is close to being unstable based on the calculated Toomre Q of <1.7. This paper is part of the MAPS special issue of the Astrophysical Journal Supplement.

研究の動機と目的

• GM Aurigae周囲の質量の大きな原始惑星系円盤の真のガス質量を制約すること。これは直接測定が困難な重要なパラメータである。
• 円盤の物理的・化学的構造をモデル化することで、ダスト由来とCO由来のガス質量推定値の乖離を解消すること。
• 特に観測されたダストリングに位置する領域を対象に、Toomre Qパラメータを用いて重力的安定性を評価すること。
• CO凍結、光分解離、非熱的脱着がCO濃度プロファイルに与える影響を調査すること。
• 自己整合的な円盤モデルと複数のトレーサー観測（CO同位体、HD、ダスト連続スペクトル）を組み合わせることで、ガス質量推定値を改善すること。

提案手法

• 空間分解能が0.15–0.46′′のALMA観測を用い、11種類のCO同位体遷移を活用して、ガス温度および密度のマッピングを実施。
• Herschelによる未分解のHD J=1–0線の検出を活用し、温かい内側円盤領域のガス質量を制約。
• アーカイブALMA COデータと新規のMAPS計画観測を統合し、円盤の3次元的密度および温度構造をモデル化。
• 中面でのCO凍結、上層部での光分解離、非熱的脱着を考慮した物理的・化学的円盤モデルを構築。
• モデル化されたガス密度および温度を用いて、Toomre Qパラメータを計算し、重力的安定性を評価。
• ミリ波長のダスト連続スペクトルのギャップおよびリングと照合することで、モデルを検証。運動学的不安定性と観測された構造的特徴を関連づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GM Aurigae円盤の真の全ガス質量は何か？ また、ダストやCOからの推定値と比べてどう異なるか？
• RQ2 CO濃度の変動、特に100 auを超えて顕著な低下が観測される理由は、物理的・化学的プロセスによってどのように生じるのか？
• RQ3 円盤は重力的に安定しているか？ 70–100 au付近の局所的不安定性が観測されたダストリング構造を説明できるか？
• RQ4 非熱的脱着は、ミリ波長のダスト円盤を越えて中面にCOを回復させる程度まで及ぶのか？
• RQ5 CO、HD、ダストといった複数トレーサーの観測は、単一トレーサー法に比べてガス質量制約をどの程度改善するか？

主な発見

• 最良のフィットモデルから、全ガス質量は約0.2 M⊙であると導出され、そのうち32%が20 K未満の温度領域に存在する。
• COガス濃度は、100 au以内では宇宙空間標準値（ISM値）の約10分の1にまで低下し、100 auを超える領域では約100分の1にまで低下している。これは、凍結および化学的処理の結果と整合的である。
• HD放射は内側200 auに限定されるが、12CO放射は650 auまで延びており、ミリ波長のダストが示すよりもはるかに広がったガス円盤が存在することを示している。
• Toomre Qパラメータは、70–100 auの領域で1.7（重力不安定性の閾値）未満に低下しており、顕著なミリ波長のダストリングと一致している。これは局所的不安定性の可能性を示唆している。
• この局所的不安定性にもかかわらず、外側円盤全体としては重力的に安定しており、円盤の大部分でQ > 1.7が維持されている。
• 非熱的脱着が、外側ダストリングを越えて中面にCOを補充していることが示され、外側円盤における残留CO放射を説明できる。