[論文レビュー] Viscous Heating and Boundary Layer Accretion in the Disk of Outbursting Star FU Orionis

Aaron Labdon, Stefan Kraus+12 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2020

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 56被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、CHARAアレイのMIRC-X装置を用いて、若木星天体FU Orionisにおける最初のJバンド干渉測定を報告する。内側円盤における温度勾配T ∝ r⁻⁰.⁷⁴±⁰.⁰²が明らかとなり、定常状態で光学的に厚い降着円盤における粘性加熱と整合的である。境界層降着は0.015 ± 0.007 auまで確認され、表面温度は5800 ± 700 Kである。

ABSTRACT

Context. FU Orionis is the archetypal FUor star, a subclass of young stellar object (YSO) that undergo rapid brightening events, often gaining 4-6 magnitudes on timescales of days. This brightening is often associated with a massive increase in accretion; one of the most ubiquitous processes in astrophysics from planets and stars to super-massive black holes. We present multi-band interferometric observations of the FU Ori circumstellar environment, including the first J-band interferometric observations of a YSO. Aims. We investigate the morphology and temperature gradient of the inner-most regions of the accretion disk around FU Orionis. We aim to characterise the heating mechanisms of the disk and comment on potential outburst triggering processes. Methods. Recent upgrades to the MIRC-X instrument at the CHARA array allowed the first dual-band J and H observations of YSOs.Using baselines up to 331 m, we present high angular resolution data of a YSO covering the near-infrared bands J, H, and K. The unprecedented spectral range of the data allows us to apply temperature gradient models to the innermost regions of FU Ori. Results. We spatially resolve the innermost astronomical unit of the disk and determine the exponent of the temperature gradient of the inner disk to $T=r^{-0.74\pm0.02}$. This agrees with theoretical work that predicts $T = r^{-0.75}$ for actively accreting, steady state disks, a value only obtainable through viscous heating within the disk. We find a disk which extends down to the stellar surface at $0.015\pm0.007$ au where the temperature is found to be $5800\pm700$ K indicating boundary layer accretion. We find a disk inclined at $32\pm4^\circ$ with a minor-axis position angle of $34\pm11^\circ$.

研究の動機と目的

• FU Orionis、すなわち代表的なFU Orionis的噴発星である、内側降着円盤の温度構造と形状を特徴づけること。
• 高分解能観測を用いて、定常状態で光学的に厚い降着円盤における粘性加熱の理論的モデルを検証すること。
• 円盤の内縁部および温度勾配を調べることで、境界層降着の存在と影響を調査すること。
• 干渉計測定データの幾何学的モデリングを用いて、円盤の傾きと位置角を制約すること。
• 降着噴発メカニズムに影響を与える可能性がある、0.5–50 masの距離内に近い連星が存在するかを調査すること。

提案手法

• 331 mまでの基線を達成したMIRC-X装置を用いて、CHARAアレイでマルチバンド干渉測定が実施された。
• JバンドおよびHバンドの同時観測により、高いスペクトル分解能と広帯域カバーが得られ、円盤全体にわたる温度勾配のモデル化が可能になった。
• 可視度およびクロージャー位相データの幾何学的モデリングにより、円盤の傾き、位置角、および内側円盤半径が導出された。
• Jバンド、Hバンド、Kバンドにおける観測された放射度分布に温度勾配モデルをフィットさせ、加熱機構を推定した。
• Hバンドの可視度およびクロージャー位相データを用いて連星探索が行われ、0.5–50 masの距離における上昇したフラックスコントラスト限界が1.3%に設定された。
• 理論的モデルとして、粘性加熱を受ける定常状態の降着円盤を観測された温度プロファイルと比較し、加熱機構の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FU Orionis周囲の内側円盤における半径方向の温度プロファイルは何か？ また、粘性加熱を受ける定常状態の降着円盤の理論的予測と一致するか？
• RQ2 観測された温度勾配は、円盤の内側領域で支配的である粘性加熱の証拠を示しているか？
• RQ3 降着円盤は星の表面までどの程度まで延びており、内縁部の温度が境界層降着を確認するものか？
• RQ4 円盤の傾きおよび位置角は何か？ また、それらは過去の推定値やジェット／流れの方向とどのように一致するか？
• RQ5 0.5–50 masの距離内に、FU Orionisの噴発を引き起こすか、あるいはそれに影響を与える可能性のある近い連星が存在する証拠はあるか？

主な発見

• 内側円盤における温度勾配はT ∝ r⁻⁰.⁷⁴±⁰.⁰²として測定され、粘性加熱を受ける定常状態の降着円盤の理論的予測T ∝ r⁻⁰.⁷⁵に非常に近い。
• 内側円盤は星から0.015 ± 0.007 auまで延びており、その温度は5800 ± 700 Kに達しており、境界層降着と整合的である。
• 円盤の傾きは32 ± 4°、短軸の位置角は34 ± 11°であり、これにより過去の研究よりもきめ細かい制約が得られた。
• 短軸の位置角は、既知のジェット／流れの方向から約60°ずれており、ジェットが円盤面に対して完全に垂直でない可能性を示唆している。
• 0.5–50 masの距離内に顕著な連星は検出されず、Hバンドにおける上昇したフラックスコントラスト限界は1.3%であった。これにより、この領域に質量の大きな連星が存在しないことが排除された。
• 本研究は、若木星天体の降着円盤の熱的構造を調べるうえで、Jバンド干渉測定の実現可能性と強力さを示した。