[論文レビュー] Spectral appearance of the planetary-surface accretion shock: Global spectra and hydrogen-line profiles and fluxes

Yuhiko Aoyama, Gabriel-Dominique Marleau+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2020

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 11被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、惑星表面における降着衝撃からの水素線放射を予測するため、非平衡的で時間に依存する非局所熱平衡（non-LTE）放射流体力学モデルを構築した。Hαの放射度が降着率に単調に増加し、惑星質量にやや弱く依存することを示し、降着衝撃の可視性において惑星表面衝撃が環惑星ディスク衝撃を上回ることが判明した。また、非検出事例からの降着率の制約を再評価し、星間降着モデルからの外挿を疑問視する結果を得た。

ABSTRACT

Hydrogen-line emission from an accretion shock has recently been observed at planetary-mass objects. Our previous work predicted the shock spectrum and luminosity for a shock on the circumplanetary disc. We extend this to the planet-surface shock. We calculate the global spectral energy distribution (SED) of accreting planets by combining our model emission spectra with photospheric SEDs, and predict the line-integrated flux for several hydrogen lines, especially H alpha, but also H beta, Pa alpha, Pa beta, Pa gamma, Br alpha, and Br gamma. We apply our non-equilibrium emission model to the surface accretion shock for a wide range of accretion rates Mdot and masses M_p . Fits to formation calculations provide radii and effective temperatures. Extinction by the surrounding material is neglected, which is arguably often relevant. We find that the line luminosity increases monotonically with Mdot and M_p , depending mostly on Mdot and weakly on M_p for the relevant range of parameters. The Lyman, Balmer, and Paschen continua can exceed the photosphere. The H beta line is fainter by 0 to 1 dex than H alpha, whereas other lines are weaker (by 1 to 3 dex). Shocks on the planet or the CPD surface are distinguishable at very high spectral resolution, but the planet surface shock likely dominates if both are present. Applied to recent non-detections of H alpha, our models imply looser constraints on the Mdot of putative planets than when extrapolating fits from the stellar regime. These hydrogen-line luminosity predictions are useful for interpreting (non-)detections of accreting planets.

研究の動機と目的

• 惑星表面における降着衝撃からのスペクトルエネルギー分布（SED）および水素線放射を、環惑星ディスク衝撃とは異なるものとしてモデル化すること。
• 古典的Tタウリ星（CTTS）の関係式に依存しない妥当性の確認されていない外挿を避けることで、形成中の惑星における降着率の制約を改善すること。
• 特にHα、Hβおよびパッショーン／ブレケット線に対して、衝撃放射度が降着率および惑星質量にどのように依存するかを定量化すること。
• 高分解能スペクトルで、惑星表面衝撃と環惑星ディスク衝撃の検出可能性を比較すること。
• 一時的で急速に冷却される惑星降着衝撃の状態に適した、物理的に根拠のある非平衡的モデルを提供すること。

提案手法

• ゼロ次元で時間に依存する非局所熱平衡（non-LTE）ラグランジュ的放射流体力学モデルを用い、冷却、化学反応、放射伝達を伴う衝撃加熱ガスをシミュレートする。
• 衝撃放射スペクトルと光球のSEDを組み合わせ、降着惑星のグローバルなスペクトルエネルギー分布（SED）を計算する。
• 急速な冷却に対応するため、非平衡的イオン化および準位集団モデルを採用し、従来のSH95のようなモデルで用いられる平衡仮定を無効にする。
• 惑星形成シミュレーションからのフィットを用いて、質量および降着率の関数としての惑星半径と効果的温度を決定する。
• 衝撃パラメータ（n₀, v₀）と惑星質量のグリッド上で、Hα、Hβ、Paα、Paβ、Paγ、Brα、Brγの線積分放射度を計算する。
• 周囲物質による減光は無視し、観測との比較を目的として、固有の衝撃放射特性に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 惑星表面の降着衝撃からの水素線放射度は、降着率および惑星質量にどのように依存するか？
• RQ2 高分解能スペクトルで、惑星表面からの衝撃放射と環惑星ディスクからの放射を区別できるか？
• RQ3 最近の直接撮像調査における非検出事例から推定されたHα放射度と、本モデルの予測はどのように一致するか？
• RQ4 標準的なCTTSに基づくL_Hα–L_acc関係式は、惑星質量オブジェクトの降着率をどの程度過大評価または誤解しているか？
• RQ5 形成中の惑星における全観測Hα放射度に、惑星表面衝撃と環惑星ディスク衝撃の寄与はそれぞれどの程度か？

主な発見

• Hαの放射度は降着率に単調に増加し、惑星質量にやや弱く依存する。降着率が支配的制御パrameterである。
• Hβ線はHαより0–1 dex明るさが弱く、他の線（Paα、Paβなど）は1–3 dex弱い。
• リプマン、バルマー、パッショーン連続スペクトルは光球連続スペクトルを上回る可能性があり、顕著な非光球放射を示す。
• 惑星表面衝撃と環惑星ディスク衝撃の両方が存在する場合、Hα放射の検出可能な寄与は、惑星表面衝撃が支配的であると考えられる。
• Hαの非検出事例は、星間降着モデルからの外挿を仮定した場合に比べ、降着率の制約が緩くなる。
• 平衡モデル（例：SH95）は急速な冷却のため適用不能であり、正確な結果を得るには時間に依存する非局所熱平衡（non-LTE）の取り扱いが必要であることが示された。