[論文レビュー] The chemistry of episodic accretion in embedded objects. 2D radiation thermo-chemical models of the post-burst phase

Christian Rab, Vardan G. Elbakyan+8 more|Archive ouverte UNIGE (University of Geneva)|May 10, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 87被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、PRODIMOコードを用いて、降着バースト後の原始星の2次元放射熱化学モデルを提示する。バースト後の冷却段階におけるCOの内側から外側への凍結が、C18O J=2-1線の放射線像に明確な空間的特徴をもたらすことが示された。その特徴として、ギャップやX字型の強度パターンが観測され、ALMA観測の2成分ガウスフィッティングを用いることで、モデルに依存しないバースト後対象の同定が可能となる。

ABSTRACT

Episodic accretion is an important process in the evolution of young stars and their environment. The observed strong luminosity bursts of young stellar objects likely have a long lasting impact on the chemical evolution of the disk and envelope structure. We want to investigate observational signatures of the chemical evolution in the post-burst phase for embedded sources. With such signatures it is possible to identify targets that experienced a recent luminosity burst. We present a new model for episodic accretion chemistry based on the 2D, radiation thermo-chemical disk code ProDiMo. We have extended ProDiMo with a proper treatment for envelope structures. For a representative Class I model, we calculated the chemical abundances in the post-burst phase and produced synthetic observables like intensity maps and radial profiles. During a burst many chemical species, like CO, sublimate from the dust surfaces. As the burst ends they freeze out again (post-burst phase). This freeze-out happens from inside-out due to the radial density gradient in the disk and envelope structure. This inside-out freeze-out produces clear observational signatures in spectral line emission, like rings and distinct features in the slope of radial intensity profiles. We fitted synthetic C18O J=2-1 observations with single and two component fits and find that post-burst images are much better matched by the latter. Comparing the quality of such fits allows identification of post-burst targets in a model-independent way. Our models confirm that it is possible to identify post-burst objects from spatially resolved CO observations. However, to derive proper statistics, like frequencies of bursts, from observations it is important to consider aspects like the inclination and structure of the target and also dust properties as those have a significant impact on the freeze-out timescale.

研究の動機と目的

• 降着の断続的増加が原始星のバースト後段階に与える化学的および放射的特徴を調査すること。
• 短時間にとどまるため光学的バーストが検出不能な状況下で、バースト影響を受けた源を同定する課題に対処すること。
• 空間的解像度のあるCO線放出を用いて、バースト後対象をモデルに依存しない方法で検出する観測的手法を開発すること。
• ディスク構造、ダスト特性、観測傾斜角が凍結時間スケールおよび検出可能性に与える影響を評価すること。
• 現実的なダスト粒子サイズ分布が、ディスクおよびエンベロープ内の凍結ダイナミクスに与える影響を定量化すること。

提案手法

• PRODIMOコードを拡張し、現実的なエンベロープ構造と時間依存的なバースト進化を含める。
• 表面積加重平均のダスト粒子サイズ分布（ディスクでは最大1000 µm、エンベロープでは1 µm）を組み込み、単一の0.1 µm粒子と比較して、凍結時間スケールをディスクで90倍、エンベロープで3倍短縮する。
• バースト後の冷却段階における温度および化学構造の進化をシミュレートし、径方向密度勾配に起因する内側から外側へのCO凍結に注目する。
• C18O J=2-1線放出の合成ALMA観測を生成し、強度マップ、半径方向強度プロファイル、ガウス成分フィッティングを含む。
• 2成分ガウスフィッティングを用い、バースト後放出（中心部＋拡散成分）と安静状態の放出（単一成分）を区別する。
• ディスクの影による影響を考慮し、エンベロープの温度構造に及ぼす影響を評価し、中間面近辺のCO濃度が3倍低下することを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 断続的降着のバースト後段階におけるCO凍結の観測可能な化学的および放射的特徴は何か？
• RQ2 内側から外側への凍結メカニズムがC18O線放出マップにどのように特徴的な空間的構造を生じるか？
• RQ3 C18O J=2-1強度プロファイルの2成分ガウスフィッティングが、モデルに依存しない方法でバースト後原始星を信頼性高く同定できるか？
• RQ4 ダスト粒子サイズ分布、ディスク構造、観測傾斜角が、バースト後特徴の検出可能性に与える影響は何か？
• RQ5 エンベロープの密度勾配およびディスクの影効果が、バースト後化学的進化の時間スケールおよび形状にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• バースト後段階における内側から外側へのCO凍結は、C18O J=2-1強度マップに明確なギャップを生じさせ、主に面対面系において、空洞への視線が確保されるため観測可能となる。
• 半径方向強度プロファイルは、ピーク強度の急激な低下を示し、内側領域と外側領域における凍結時間スケールの違いを示している。
• C18O放出の2成分ガウスフィッティングは、バースト後放出が単一成分フィッティングよりも顕著に適合するため、バースト後対象をモデルに依存しない方法で信頼性高く同定する有効な手法である。
• 拡散成分は、バースト後最大10,000年間維持され、最近のバーストを検出可能にする。
• 現実的なダスト粒子サイズ分布は、ディスクで90倍、エンベロープで3倍の凍結時間短縮をもたらすが、依然としてディスク密度が時間スケールを支配し、内側の凍結が速やかに進行する。
• ディスクの影はエンベロープの中間面を冷却し、CO濃度を径方向CO氷線内側で3倍低下させる。これは1次元モデルには存在しない特徴であり、正確な化学モデル化には不可欠である。